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选择PCB元件的六大技巧
1.考虑元件封装的选择 在整个原理图绘制阶段，就应该考虑需要在版图阶段作出的元件封装和焊盘图案决定。下面给出了在根据元件封装选择元件时需要考虑的一些建议。 记住，封装包括了元件的电气焊盘连接和机械尺寸(X、Y和Z)，即元件本体的外形以及连接PCB的引脚。在选择元件时，需要考虑最终PCB的顶层和底层可能存在的任何安装或包装限制。 一些元件(如有极性电容)可能有高度净空限制，需要在元件选择过程中加以考虑。在最初开始设计时，可以先画一个基本的电路板外框形状，然后放置上一些计划要使用的大型或位置关键元件(如连接器)。 这样，就能直观快速地看到(没有布线的)电路板虚拟透视图，并给出相对精确的电路板和元器件的相对定位和元件高度。这将有助于确保PCB经过装配后元件能合适地放进外包装(塑料制品、机箱、机框等)内。从工具菜单中调用三维预览模式即可浏览整块电路板。 焊盘图案显示了PCB上焊接器件的实际焊盘或过孔形状。PCB上的这些铜图案还包含有一些基本的形状信息。焊盘图案的尺寸需要正确才能确保正确的焊接，并确保所连元件正确的机械和热完整性。 在设计PCB版图时，需要考虑电路板将如何制造，或者是手工焊接的话，焊盘将如何焊接。回流焊(焊剂在受控的高温炉中熔化)可以处理种类广泛的表贴器件(SMD)。波峰焊一般用来焊接电路板的反面，以固定通孔器件，但也可以处理放置在PCB背面的一些表贴元件。 通常在采用这种技术时，底层表贴器件必须按一个特定的方向排列，而且为了适应这种焊接方式，可能需要修改焊盘。 在整个设计过程中可以改变元件的选择。在设计过程早期就确定哪些器件应该用电镀通孔(PTH)、哪些应该用表贴技术(SMT)将有助于PCB的整体规划。需要考虑的因素有器件成本、可用性、器件面积密度和功耗等等。 从制造角度看，表贴器件通常要比通孔器件便宜，而且一般可用性较高。对于中小规模的原型项目来说，最好选用较大的表贴器件或通孔器件，不仅方便手工焊接，而且有利于查错和调试过程中更好的连接焊盘和信号。 如果数据库中没有现成的封装，一般是在工具中创建定制的封装。 2.使用良好的接地方法 确保设计具有足够的旁路电容和地平面。在使用集成电路时，确保在靠近电源端到地(最好是地平面)的位置使用合适的去耦电容。电容的合适容量取决于具体应用、电容技术和工作频率。当旁路电容放置在电源和接地引脚之间、并且靠近正确的IC引脚摆放时，可以优化电路的电磁兼容性和易感性。 3.分配虚拟元件封装 打印一份材料清单(BOM)用于检查虚拟元件。虚拟元件没有相关的封装，不会传送到版图阶段。创建一份材料清单，然后查看设计中的所有虚拟元件。 唯一的条目应该是电源和地信号，因为它们被认为是虚拟元件，只在原理图环境中进行专门的处理，不会传送到版图设计。除非用于仿真目的，在虚拟部分显示的元件都应该用具有封装的元件替代。 4.确保您有完整的材料清单数据 检查材料清单报告中是否有足够完整的数据。在创建出材料清单报告后，要进行仔细检查，对所有元件条目中不完整的器件、供应商或制造商信息补充完整。 5.根据元件标号进行排序 为了有助于材料清单的排序和查看，确保元件标号是连续编号的。 6.检查多余的门电路 一般来说，所有多余门的输入都应该有信号连接，避免输入端悬空。确保您检查了所有多余的或遗漏的门电路，并且所有没有连线的输入端都完全连上了。在一些情况下，如果输入端处于悬浮状态，整个系统都不能正确工作。就拿设计中经常使用的双运放来说。 如果双路运放IC元件中只用了其中一个运放，建议要么把另一个运放也用起来，要么将不用的运放的输入端接地，并且布放一个合适的单位增益(或其它增益)反馈网络，从而确保整个元件能正常工作。 在某些情况下，存在悬浮引脚的IC可能无法正常工作在指标范围内。通常只有当IC器件或同一器件中的其它门不是工作在饱和状态--输入或输出接近或处于元件电源轨时，这个IC工作时才能满足指标要求。仿真通常不能捕捉到这种情况，因为仿真模型一般不会将IC的多个部分连接在一起用于建模悬浮连接效应。
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深入探讨各种PCB设计疏忽及应对策略
射频印制板(PCB)布局很容易出现各种缺陷工业、科学和医疗射频(ISM-RF)产品的无数应用案例表明，这些产品的印制板(PCB)布局很容易出现各种缺陷。人们时常发现相同IC安装到两块不同电路板上，所表现的性能指标会有显著差异。工作条件、谐波辐射、抗干扰能力，以及启动时间等等诸多因素的变化，都能说明电路板布局在一款成功设计中的重要性。 本文罗列了各种不同的设计疏忽，探讨了每种失误导致电路故障的原因，并给出了如何避免这些设计缺陷的建议。本文以FR-4电介质、厚度0.0625in的双层PCB为例，电路板底层接地。工作频率介于315MHz到915MHz之间的不同频段，Tx和Rx功率介于-120dBm至+13dBm之间。表1列出了一些可能出现的PCB布局问题、原因及其影响。 其中大多数问题源于少数几个常见原因，我们将对此逐一讨论。 电感方向 当两个电感(甚至是两条PCB走线)彼此靠近时，将会产生互感。第一个电路中的电流所产生的磁场会对第二个电路中的电流产生激励(图1)。这一过程与变压器初级、次级线圈之间的相互影响类似。当两个电流通过磁场相互作用时，所产生的电压由互感LM决定： 式中，YB是向电路B注入的误差电压，IA是在电路A作用的电流1。LM对电路间距、电感环路面积(即磁通量)以及环路方向非常敏感。因此，紧凑的电路布局和降低耦合之间的最佳平衡是正确排列所有电感的方向。 图1. 由磁力线可以看出互感与电感排列方向有关 对电路B的方向进行调整，使其电流环路平行于电路A的磁力线。为达到这一目的，尽量使电感互相垂直，请参考低功率FSK超外差接收机评估(EV)板(MAX7042EVKIT)的电路布局(图2)。该电路板上的三个电感(L3、L1和L2)距离非常近，将其方向排列为0°、45°和90°，有助于降低彼此之间的互感。 图2. 图中所示为两种不同的PCB布局，其中一种布局的元件排列方向不合理(L1和L3)，另一种的方向排列则更为合适。 综上所述，应遵循以下原则： 电感间距应尽可能远。 电感排列方向成直角，使电感之间的串扰降至最小。 引线耦合 如同电感排列方向会影响磁场耦合一样，如果引线彼此过于靠近，也会影响耦合。这种布局问题也会产生所谓的互感。RF电路最关心问题之一即为系统敏感部件的走线，例如输入匹配网络、接收器的谐振槽路、发送器的天线匹配网络等。 返回电流通路须尽可能靠近主电流通道，将辐射磁场降至最小。这种布局有助于减小电流环路面积。返回电流的理想低阻通路通常是引线下方的接地区域—将环路面积有效限制在电介质厚度乘以引线长度的区域。但是，如果接地区域被分割开，则会增大环路面积(图3)。对于穿过分割区域的引线，返回电流将被强制通过高阻通路，大大提高了电流环路面积。这种布局还使电路引线更容易受互感的影响。 图3. 完整的大面积接地有助于改善系统性能 对于一个实际电感，引线方向对磁场耦合的影响也很大。如果敏感电路的引线必须彼此靠近，最好将引线方向垂直排列，以降低耦合(图4)。如果无法做到垂直排列，则可考虑使用保护线。关于保护线的设计，请参考以下接地与填充处理部分。 图4. 类似于图1，表示可能存在的磁力线耦合。 综上所述，布板时应遵循以下原则： 引线下方应保证完整接地。 敏感引线应垂直排列。 如果引线必须平行排列，须确保足够的间距或采用保护线。 接地过孔 RF电路布局的主要问题通常是电路的特征阻抗不理想，包括电路元件及其互联。引线覆铜层较薄，则等效于电感线，并与邻近的其它引线形成分布电容。引线穿过过孔时，也会表现出电感和电容特性。 过孔电容主要源于过孔焊盘侧的覆铜与地层覆铜之间构成的电容，它们之间由一个相当小的圆环隔开。另外一个影响源于金属过孔本身的圆柱。寄生电容的影响一般较小，通常只会造成高速数字信号的边沿变差(本文不对此加以讨论)。 过孔的最大影响是相应的互联方式所引起的寄生电感。因为RF PCB设计中，大多数金属过孔尺寸与集总元件的尺寸相同，可利用简单的公式估算电路过孔的影响(图5)： 式中，LVIA为过孔的集总电感;h为过孔高度，单位为英寸;d为过孔直径，单位为英寸2。 图5. PCB横截面用于估算寄生影响的过孔结构 寄生电感往往对旁路电容的连接影响很大。理想的旁路电容在电源层与地层之间提供高频短路，但是，非理想过孔则会影响地层和电源层之间的低感通路。典型的PCB过孔(d = 10 mil、h = 62.5 mil)大约等效于一个1.34nH电感。给定ISM-RF产品的特定工作频率，过孔会对敏感电路(例如，谐振槽路、滤波器以及匹配网络等)造成不良影响。 如果敏感电路共用过孔，例如π型网络的两个臂，则会产生其它问题。例如，放置一个等效于集总电感的理想过孔，等效原理图则与原电路设计有很大区别(图6)。与共用电流通路的串扰一样3，导致互感增大，加大串扰和馈通。 图6. 理想架构与非理想架构比较，电路中存在潜在的“信号通路”。 综上所述，电路布局需要遵循以下原则： 确保对敏感区域的过孔电感建模。 滤波器或匹配网络采用独立过孔。 注意，较薄的PCB覆铜会降低过孔寄生电感的影响。 引线长度 Maxim ISM-RF产品的数据资料往往建议使用尽可能短的高频输入、输出引线，从而将损耗和辐射降至最小。另一方面，这种损耗通常是由于非理想寄生参数引起的，所以寄生电感和电容都会影响电路布局，使用尽可能短的引线有助于降低寄生参数。通常情况下，10 mil宽、距离地层0.0625in的PCB引线，如果采用的是FR4电路板，则产生大约19nH/in的电感和大约1pF/in的分布电容。对于具有20nH电感、3pF电容的LAN/混频器电路，电路、元器件布局非常紧凑时，会对有效元件值造成很大影响。 “Institute for Printed Circuits”中的IPC-D-317A4提供了一个行业标准方程，用于估算微带线PCB的各种阻抗参数。该文件在2003年被IPC-2251取代5，后者为各种PCB引线提供更准确的计算方法。可以通过各种渠道获得在线计算器，其中大多数都基于IPC-2251提供的方程式。密苏里理工大学的电磁兼容性实验室提供了一个非常实用的PCB引线阻抗计算方法6。 公认的计算微带线阻抗的标准是： 式中，εr为电介质的介电常数，h为引线距离地层的高度，w为引线宽度，t为引线厚度(图7)。w/h介于0.1至2.0、εr介于1至15之间时，该公式的计算结果相当准确7。 图7. 该图为PCB横截面(与图5类似)，表示用于计算微带线阻抗的结构。 为评估引线长度的影响，确定引线寄生参数对理想电路的去谐效应更实用。本例中，我们讨论杂散电容和电感。用于微带线的特征电容标准方程为： 同理，可利用上述方程从方程式中计算得到特征电感： 举例说明，假设PCB厚度为0.0625in (h = 62.5 mil)，1盎司覆铜引线(t = 1.35 mil)，宽度为0.01in (w = 10 mil)，采用FR-4电路板。注意，FR-4的εr典型值为4.35法拉/米(F/m)，但范围可从4.0F/m至4.7F/m。本例计算得到的特征值为Z0 = 134Ω，C0 = 1.04pF/in，L0 = 18.7nH/in。 对于ISM-RF设计中，电路板上布局长度为12.7mm (0.5in)的引线，可产生大约0.5pF和9.3nH的寄生参数(图8)。这一等级的寄生参数对于接收器谐振槽路的影响(LC乘积的变化)，可能产生315MHz ±2%或433.92MHz ±3.5%的变化。由于引线寄生效应所产生的附加电容和电感，使得315MHz振荡频率的峰值达到312.17MHz，433.92MHz振荡频率的峰值达到426.61MHz。 图8. 一个紧凑的PCB布局，寄生效应会对电路产生影响。 另外一个例子是Maxim的超外差接收机(MAX7042)的谐振槽路，推荐使用的元件在315MHz时为1.2pF和30nH;433.92MHz时为0pF和16nH。利用方程计算谐振电路振荡频率： 评估板谐振电路应包括封装和布局的寄生效应，计算315MHz谐振频率时，寄生参数分别为7.3pF和7.5pF。注意，LC乘积表现为集总电容。 综上所述，布板须遵循以下原则： 保持引线长度尽可能短。 关键电路尽量靠近器件放置。 根据实际布局寄生效应对关键元件进行补偿。 接地与填充处理 接地或电源层定义了一个公共参考电压，通过低阻通路为系统的所有部件供电。按照这种方式均衡所有电场，产生良好的屏蔽机制。 直流电流总是倾向于沿着低阻通路流通。同理，高频电流也是优先流过最低电阻的通路。所以，对于地层上方的标准PCB微带线，返回电流试图流入引线正下方的接地区域。按照上述引线耦合部分所述，割断的接地区域会引入各种噪声，进而通过磁场耦合或汇聚电流而增大串扰(图9)。 图9. 尽可能保持地层完整，否则返回电流会引起串扰。 填充地也称为保护线，通常将其用于电路中很难铺设连续接地区域或需要屏蔽敏感电路的设计(图10)。通过在引线两端，或者是沿线放置接地过孔(即过孔阵列)，增大屏蔽效应8。请不要将保护线与设计用来提供返回电流通路的引线相混合，这样的布局会引入串扰。 图10. RF系统设计中须避免覆铜线浮空，特别是需要铺设铜皮的情况下。 覆铜区域不接地(浮空)或仅在一端接地时，会制约其有效性。有些情况下，它会形成寄生电容，改变周围布线的阻抗或在电路之间产生“潜在”通路，从而造成不利影响。简而言之，如果在电路板上铺设了一块覆铜(非电路信号走线)，来确保一致的电镀厚度。覆铜区域应避免浮空，因为它们会影响电路设计。 最后，确保考虑天线附近任何接地区域的影响。任何单极天线都将接地区域、走线和过孔作为系统均衡的一部分，非理想均衡布线会影响天线的辐射效率和方向(辐射模板)。因此，不应将接地区域直接放置在单极PCB引线天线的下方。 综上所述，应该遵循以下原则： 尽量提供连续、低阻的接地区域。 填充线的两端接地，并尽量采用过孔阵列。 RF电路附近不要将覆铜线浮空，RF电路周围不要铺设铜皮。 如果电路板包括多个地层，信号线从一侧过度另一侧时，最好铺设一个接地过孔。 晶体电容过大 寄生电容会使晶振的工作频率偏离目标值9。因此，须遵循一些常规准则，降低晶体引脚、焊盘、走线或与RF器件连接的杂散电容。 应遵循以下原则： 晶体与RF器件之间的连线尽可能短。 相互之间的走线尽可能保持隔离。 如果并联寄生电容太大，则去除晶体下方的接地区域。 平面走线电感 不建议使用平面走线或PCB螺旋电感，典型PCB制造工艺具有一定的不精确性，例如宽度、空间容差，从而对元件值精度影响非常大。因此，大多数受控和高Q值电感均为绕线式。其次，可以选择多层陶瓷电感，多层片式电容厂商也提供这种产品。尽管如此，有些设计者还是在不得已的情况下选择了螺线电感。计算平面螺旋电感的标准公式通常采用惠勒公式10： 式中，a为线圈的平均半径，单位为英寸;n为匝数;c为线圈磁芯的宽度(rOUTER - rINNER)，单位为英寸。当线圈的c > 0.2a时11，该计算方法的精度在5%之内。 可以使用方形、六角形或其它形状的单层螺旋电感。可以找到非常好的近似方法，对集成电路晶圆上的平面电感进行建模。为了达到这一目的，对标准惠勒公式进行修改，得到非常适合小尺寸及方形规格的平面电感估算方法12。 式中，ρ为充填比：;n为匝数，dAVG为平均直径：。对于方形螺旋，K1 = 2.36，K2 = 2.75。13 避免使用这种电感的原因有很多，它们通常受空间限制而导致电感值减小。避免使用平面电感的主要原因是受限制的几何尺寸，以及对临界尺寸的控制较差，从而无法预测电感值。此外，PCB生产过程中很难控制实际电感值，电感还会将噪声耦合到电路的其它部分的趋向(参见上文中的引线耦合部分)。 总而言之，应该： 避免使用平面走线电感。 尽量使用绕线片式电感。 总结 如上所述，几种常见的PCB布局陷阱会造成ISM-RF设计问题。然而，注意电路的非理想特性，您完全可避免这些缺陷。补偿这些不希望的影响需要适当处理表面上无关紧要的事项，例如元件方向、走线长度、过孔布置，以及接地区域的用法。遵守以上的指导原则，您可明显节省浪费在修正错误方面的时间和金钱。
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接地问题的问与答
问：有关如何处理ADC中模拟地和数字地的引脚，我有点儿糊涂。通常要求把模拟地和数字地在器件上连接在一起，但我不想把ADC接成系统的星形接地点。我应该怎么做? 答：首先，对涉及到模拟地和数字地感到糊涂这件事，你不必感觉那么坏，许 多人都是这样的!许多迷惑首先来自ADC接地引脚的名称。模拟地和数字地的引脚名称表示内 部元件本身的作用，未必意味着外部也应该按照内部作用去做。让我们来解释一下。 一个集成电路内部有模拟电路和数字电路两部分，例如ADC，为了避免数字信号耦合到模拟 电路中去，模拟地和数字地通常分开。图1所示是一个ADC的简单示意图。从芯片上的焊 点到封装引脚的连线所产生的引线接合电感和电阻，并不是IC设计者专门加上去的。快速变 化的数字电流在B点产生一个电压，经过杂散电容(C STRAY )必然耦合到模拟电路的A点 。尽 管这是制造芯片 过程中IC设计者应考虑的问题。可是你能够看到为了防止进一步耦合，模拟地和数字地的引 脚在外面应该用最短的连线接到同一个低阻抗的接地平面上。任何在数字地引脚附加的外部 阻抗都将在B点上引起较大的数字噪声。然后将大的数字噪声通过杂散电容耦合到模拟 电路上。可通过一个极简单的示意图(图12?1)来说明这一点。 问：好，你已告诉我把集成电路的模拟地和数字地引脚接到同一接地平面，但我 仍然要把模拟和数字接地平面在系统中分离开来，我要它们仅仅在一点上连起来，但这 个公共点是电源的返回端，并且连到底座接地线上。那么现在我还要做什么? 答：假如你的系统只有一个数据转换器，实际上你可以按照产品说明中所说的方 法去做 ，并且把模拟地和数字地线系统一起连在转换器上。你的系统的星形接地点现在是在数据转 换器上。但是这也许是极不希望的，除非在开始时你就用这样的想法来设计你的系统。假如 你有几个数据转换器安排在不同的印制线路板上，这个规则不适用应该另想办法，因为模 拟地 和数字地系统被连接在许多印制线路板的每个转换器上。对于接地环路这是最好的建议。 问：我已经能想像出来了!假如我必须把模拟地和数字地引脚在器件上连 在一 起，我仍旧需要分开系统的模拟地和数字地，我把模拟地和数字地连起来再接到印制线路板 上的模拟接地平面，或者是数字接地平面上，但不能两者都连上，对吗?因为ADC既是模 拟器件又是数字器件，那么连到哪一个接地平面更合适呢? 答：对!假如你把模拟地和数字地引脚都连到数字接地平面上，那么你的模拟输 入信号将有数字噪声叠加上去，因为模拟输入信号是单端的且相对于模拟接地平面而言。 问：所以正确的回答是把模拟地和数字地引脚两者连起来并接到模拟接地 平面上，对吗?但这样会不会把数字噪声加到本来很好的接地平面上?另外，因为现在输出信 号是相对于模拟接地平面，而所有其它逻辑是相对于数字接地平面，那么输出逻辑噪声容限 是否会下降?我打算把ADC输出接到印制线路板背面三态数据总线上，在那里噪声会相当大， 所以我认为首先需要能够得到的所有噪声容限。 答：好!没有什么人会说生活是很容易的!你已经通过困难的道路得到了正确的 结论，但你提出的模拟接地平面上的数字噪声和在ADC输出端上减少噪声容限(noise margin )的问题， 实际上并非像想象的那样坏，可以把它们克服掉。把几百毫伏不可靠的信号加到数字接口明 显地好 于把同样不可靠信号加到模拟输入端。对于10 V输入的16位ADC，其最低位信号仅仅 为150 μV!在数字地引脚上的数字地电流实际上不可能比这更坏，否则它们将使ADC内部 的 模拟部分首先失效!假如你在ADC电源引脚到模拟接地平面之间接一种高质量高频陶瓷电容器 (0 ?1μF)来旁路高频噪声，你将把这些电流隔离到集成电路周围非常小的范围，并且将其对 系统其余部分的影响减到最低。 虽然数字噪声容限会减少，但是如果低于几百毫伏，对于TTL和CMOS逻辑通常是可以接受 的。假如你的ADC有单端ECL输出，你就需 要在每一个数字门上加一个推挽门，即起平衡和补偿输出的作用。把这些门电路封装块地线 引 到模拟接地平面，并且用差分方式连接逻辑信号接口。在另一端使用一个差分线路接收器， 将 它的接地端接到数字接地平面上。模拟接地平面和数字接地平面之间的噪声是共模信号，它 们的大 多数将在差分线路接收器的输出端被衰减抑制掉。你可以把同样方法用于TTL和CMOS，但它 们通常有足够的噪声容限，所以不需要差分传输。 但是你说过的一件事使我大感忧虑。通常把ADC输出直接连到有噪声的数据总线上，是很 轻率的作法。总线噪声经过内部寄生电容耦合可能返回ADC模拟输入端。寄生电容从0?1到0 ?5 p F。如果把ADC输出直接连到靠近ADC的中间缓冲锁存器就要好得多(见图12?2)。缓冲锁存器 地线接到数字接地平面上，所以它的输出逻辑电平和系统其余部分的逻辑电平兼容。 问：我现在明白了。但究竟为什么你不把ADC的所有地线引脚都称作模拟地(AGND)?这样就不会先出现这些问题。 答：假如新来的检查人员用一只欧姆表，看一看它们在封装体内部是否连在一起 。这种做法多半会被拒绝，因为集成电路可能会被烧。另外存在一个惯例，我们必须把这些 引脚做标记，以便指示它们的真实功能，而不是像我们想象的那样。 问：好!我不去做你刚才的试验了。现在讨论一个问题。我有一个同事，他设计了 一个模拟地和数字地独立的系统，他把模拟地引脚接到模拟接地平面，把数字地引脚 接到 数字接地平面上，他说系统工作得很好，怎么解释这件事? 答：首先，你按照未被推荐的方法去做，并不一定意味着你能一时侥幸成功，有 时你会陷入虚假的安全感(这就是鲜为人知的Murphy定律)，有些ADC对于模拟地与数字 地 引脚 之间的外部噪声不敏感，你的同事偶然选到的可能就是这一种。如果要求我们对你的同事所 说的 “工作很好”的定义做考察，可能还会有其它的解释。然而ADC的制造厂家指出，在那种工 作条件下ADC的技术指标得不到保证。像ADC那样复杂器件要在所有工作条件下进行试验是不 现实的，特别是在不是首先推荐的那些条件下!你的同事这次是侥幸的。假如这个做法在将 来的系统设计中继续使用，你还是会相信Murphy定律最终会得到证实的。 问：关于ADC接地的基本原理现在我已经懂了，但对于DAC应该怎样接地呢 ? 答：应用同样的原则。DAC的模拟地引脚和数字地引脚连在一起并接到模拟接地平 面 上。如果DAC没有输入锁存器，应该把驱动DAC的寄存器的基准和接地引脚接到模拟地以预 防数字噪声耦合到模拟输出端。 问：对于含有ADC，DAC和DSP(例如ADSP?21msp50音频处理器)的混合处理 芯片应该怎样接地呢? 答：应用同样的原则。对于复杂的混合信号芯片，例如ADSP?21msp50，你决不能 把它仅看作是数字芯片!应该应用我们刚刚讨论的同样的原则。即使一个16位的Σ?ΔADC和 DAC的有效采样速率仅仅为8 ksps，转换器过采样工作频率仍然达到1 MHz。这种转换器需要 一 个13 MHz的外部时钟，而52 MHz的内部处理器时钟是由一个锁相环来产生的。正如你所看到 的，成功地应用这种器件需要懂得精密电路和高速电路的设计方法。 问：这些器件对模拟电源和数字电源要求怎么样?我究竟是买独立的模拟电源和数 字电源，还是买相同的电源? 答：这个问题实际上与数字电源的噪声大小有关。例如ADSP?21msp50有独立的+5 V 模拟电源引脚和+5 V数字电源引脚。倘若你有一个相当干净的数字电源，你还把它作为 模拟 电源使用，可能侥幸没出现问题。一定要在器件每个电源引脚上用0?1μF陶瓷电容适当去 耦 。推荐对模拟接地平面去耦，而不是数字接地平面!你也可以用一个铁氧体环把模拟电源和 数字电 源进一步隔离。图12.3示出的是一种正确接法。更为保险的办法是使用单独的+5 V电源。 假如你能允许附加的功率损耗，可使用三端稳压块从无噪声+15 V或+12 V电源中产生一个+5 V电 源。
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太阳能逆变器中的接地漏电控制
1、前言 《京都协议书》致力于各国政府提高绿色能源的生产并为该项推广的每个方案给予补助。各国政府已经决定支持为节约能源以及可持续能源而做出的一切努力。这可以说明太阳能重获生机的原因。 正是由于盈利性分析，太阳能在几年前就已经成为利益的一个来源。实际上，与生成的可用能源相比，太阳能所需要的投资明显更高。这就是直到该更新承诺和当今的电子技术出现之前的现状，更新承诺和当今的电子技术使该能源更加有利可图。 例如，2004年欧洲已经装配了410.5MW太阳能，与2003年相比增长了69.2%。德国在光伏市场处于领先地位，随后是日本和美国。然而西班牙也肯定了其光伏市场重要性的增长地位（2004年装配11.8 Mw 而 2003年为6.5MW）。 肯定这一总的趋势是世界性光伏电池生产的发展。去年已经生产了1194MW（代表具有平均生产能力3kW的大约40万套系统），也就是说比2003年多出450MW，增长率高于60%。2004年，日本完成了50%以上光伏电池的生产，其他主要来自欧洲（26%）、美国（12%）和世界其他国家（12%）。 2、太阳能电池板 太阳能电池板由串联和并联在一起的太阳能电池方阵构成。然后用玻璃和塑料将这些电池封装。为了能够安装在屋顶上，这些太阳能电池板通常被装在铝框或钢框内，如图1所示。 （照片1） （照片2） 图1 太阳能电池板（照片1）和组件（图2） 现在市场上供应有各种各样的太阳能电池，一般来说现在的太阳能电池板所产生的直流电流在7A到7.5A之间。市场上还有产生不同电流值的其他型号（例如薄膜太阳能电池组件）。 3、太阳能电池板的特性 太阳能电池最大功率由电池的工作点进行定义，与一定的电压（Vm）和电流（Im）相对应（图2）。当电池短路时，产生一个恒定电流（电流的大小取决于光的强度）。 图2 太阳能电池特性曲线 当电池开路时，会产生一个以Voc表示的大约0.6V的电压。整个太阳能电池板的总电压取决于板上所使用的太阳能电池数量。一般使用36块、54块或72块电池，产生的相应电压Voc为22V、33V或44V。 而且，还可以将几块电池板以串联和/或并联的方式连接起来，从而获得所需要的功率和/或最大允许电压。小于120V的电压Voc（标准状态+25°C时）视为可以触摸的安全电压。 4、太阳能电池板输出与控制 在正常的运行过程中，太阳能电池板可以通过采用特殊的控制流程保持在其最大功率运行点。例如，一块由36块电池构成的太阳能电池板根据不同的温度会产生一个大约14V到18V的电压。 为了使电池板产生的功率最大，一般采用特殊软件和专用电子元件来控制电池的运行点。 这种方法所产生的电能一般有两种用途： ⑴ 用于对远离配电网的自动化装置的电池进行充电。这一般称为“离网系统”（2002年市场占有率为30%）； ⑵ 用于作为绿色电能反馈回电网。这种“电网连接”系统将会在下文予以描述（2002年市场占有率为70%）。 经逆变器到电网的太阳能电池方阵可以通过变压器连接，也可以不经过变压器直接连接，即所谓的无变压器，表示无电隔离系统（图3）。变压器可以采用位于逆变器和电网之间的传统50/60Hz类型，也可以采用作为逆变器直流部分部件的高频变压器。 图3 无电隔离系统 无变压器设计在改善总效率和降低成本的应用场合已经成为一个总趋势。 高频变压器具有重量轻和体积小的优点。紧凑和轻重量设计具有同样重要的作用。 还有一个功率的问题。产生较高的功率需要大型变压器，从而需要更大型的装置和更高的成本，这也正好说明人们对无变压器配置感兴趣的原因。 不管使用何种系统，有变压器也好，无变压器也好，关键的问题是要保证整个系统的安全，更重要的是要确保与整个系统相接触的人员安全。 作为一个起点，太阳能电池板的金属框可以接地。对于较大型的系统，根据建筑安装标准的要求必须将太阳能电池板接地；由于雷击的相似性，这种做法在高山地区也很有用（如瑞士和奥地利）。 在美国，系统直流部分必须接地。当发生电气故障时，接地连接必须中断，整个装置也必须与电网断开。在下一个安装规范发布之后，会有不一定要进行接地连接的机会。 在欧洲，直流系统接地与否不予限制，但是配有无变压器逆变器的直流系统将通过逆变器电子元件进行接地（经电网零线）。电池方阵不需要另外的接地连接，以避免产生直流接地电流。 在德国和其他一些国家，在可能将逆变器接地和开始运行之前必须对接地绝缘进行测试。在使太阳能电池板直流电压对地漂移时，首要的是必须确保安全。触摸单一点不会立即发生危险。 5、太阳能电池板的漏电 当系统对地电阻（最小500 k）大于1k/V时定义为漂移（图4）。 图4 系统对地漂移的定义 尽管光伏（PV）方阵可以作为漂移接入，整个系统的漂移将取决于光伏方阵的最大可能电压（对于已经安装的接地电阻）。 在未闭合电流路径（如通过电阻器闭合）的情况下不可能测量可能的接地漏电。由于无变压器逆变器在测量过程中必须与电网断开（通过继电器触点），因此对于有变压器逆变器和无变压器逆变器来说以上原则都是适用的。 对于无变压器PV系统来说，建筑安装规范要求一个B型RCD（剩余电流装置）。由于光伏方阵的接地故障可能会产生一个直流电流，因此对直流电流也灵敏的B型还是必需的。这种RCD的缺点是对干扰脉冲的高灵敏度，实际上必须将这些干扰脉冲手动复位。综合了这种功能的逆变器具有如下一些优点：（1）该功能可以与所需的方阵绝缘测量相结合；（2）在逆变器开始运行之前可完成小直流电流的灵敏度测量，高频开关信号可能对测量产生干扰；（3）该功能可以在误动作之后通过自动复位实现；（4）最后一点是由于太阳能电池和附近的地平面之间电容的存在，在接受较大稳态交流接地电流时，交流和直流接地电流保护值可以根据人身安全水平设定（30mA）。该电流最大允许设置为300mA。突然改变30mA可导致断开。差动电流测量可用于此功能。 6、电流传感器的直流偏移 对电网连接的另外一个要求是不能将直流电流供入电网。各国的允许电流值各不相同，但是一般要求为标称电流输出值的0.5%或1%。因此，在逆变器控制环路中所使用的电流传感器直流偏移应该尽可能的低。 而且，作为逆变器内IGBT切换延迟的结果，直流偏移应尽量避免或尽可能的小。这个直流偏移所能引起的结果可能是网络分配变压器的饱和。为了减小这个直流偏移，新的逆变器拓扑技术正在开发过程中。必须将输出电流的全谐波失真（THD）限制在一个由不同公用程序定义的值。由于尚未协定一个真实值，全谐波失真（THD）会根据所涉及国家的不同而不同。 当这些问题发生时，通常将电路断路器用于把太阳能装置从电网上断开。 为响应不断增长的市场需求，提供一种小型低成本可靠的基于电流传感器的解决方案 ，LEM特别设计CT系列（图5）来满足现代太阳能拓扑技术的标准。 图5 CT系列电流传感器（照片） 常规使用的装置（如RCD）都是众所周知的设备，但是体积相当庞大，而且也不符合太阳能逆变器的新要求。考虑到直流电流和交流电流都必须通过由高速IGBT切换而产生的高达30kHz光谱元件来进行监测，这些常规装置可能会发生故障。 阻抗测量也可以作为一种检查绝缘水平和检测太阳能电池板内接地故障的方法。要实现这一点，必须进行三种测量，即阻抗测量、电阻率变化+阻抗测量（用于检测太阳能电池板内对称接地故障）以及电压测量。 对于漂移的以及经变压器接入电网的PV，目前尚无特别的要求。但是，在启动之前对PV方阵和地之间的阻抗测量可作为证明真实漂移点的方法（对于最小值500 k/V要求为1 k/V）。要测量这个值，可以使用电压或电流传感器。 对于接地的以及经变压器接入电网的PV，阻抗测量和/或差动电流测量可用于证明接地连接。 LEM CT系列差动电流传感器用于安全测量标称值为100mA、200mA和400mA的电流，在标称电流下提供一个5V的线性电压输出。在80%峰值电流时反应时间小于20ms，在90%峰值电流时反应时间小于60ms。高技术（“磁通量闸门”）的使用已经成为这些问题的解决方案，特别是要对十分小的直流或交流电流进行精确测量时。也可以测量高达30kHz的直流元件和交流元件。 CT产品为PCB安装型体积小重量轻的元件，配有一个用于插入接地漏电线的开孔。一般来说，CT系列也适合用于其他场合，包括中型功率逆变器场合。 7、结论 正是有着国际协议要求降低矿物燃料所产生的二氧化碳量以及各国政府派发的补助支持，根据统计预测，到2010年欧洲可能由太阳能所产生的能量大概有4500MW。这可保证电气测量要求会越来越得以实现，从而确保质量和安全。
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地线干扰形式及信号接地方式，了解一下吗？
在大多数电子系统中，降噪是一个重要设计问题。与功耗限制、环境温度变化、尺寸限制以及速度和精度要求一样，必须处理好无所不在的噪声因素，才能使最终设计获得成功。 这里，我们不考虑用于降低“外部噪声”(与信号一起到达系统)的技术，因为其存在一般不受设计工程师直接控制。相比之下，防止“内部噪声”(电路或系统内部产生或耦合的噪声)扰乱信号则是设计工程师的直接责任。今天我们就说说“接地”，而且是针对高频工作的“接地" “接地”(Grounding)一般指将电路、设备或系统连接到一个作为参考电位点或参考电位面的良好导体上，为电路或系统与“地”之间建立一个低阻抗的通道。 地线是作为电路或系统电位基准点的等电位体，是系统中各个电路的公共导体，任何电路的电流都会经过地线形成回路。然而，任何导体都存在着一定的阻抗，当地线中有电流通过时，根据欧姆定律，地线上就会有电压存在，那么地线就不是一个等电位体。所以在实际设计电路或系统时，关于地线上各点的电位一定相等的假设就不是成立的，实际的情况是底线上各点存在电位差，有的相位差还可能很大。地线的公共阻抗会使各接地点间形成一定的电压，从而就会产生接地干扰。 如上面所说，地线作为导体，存在一定的阻抗，顾名思义，阻抗也就是由电阻和感抗两部分组成，即： 导体的阻抗是频率的函数，随着频率的升高，阻抗增加很快。对于高速数字电路而言，电路的时钟频率是很高的，脉冲信号包涵丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压，则地线阻抗对数字电路的干扰十分可观。 在电子产品的PCB设计中，抑制或防止地线干扰是需要考虑的最主要问题之一。所谓干扰，必然是发生在不同的单元电路、部件或系统之间，而地线干扰是指通过公用地线的方式产生的信号干扰。注意这里所提到的信号，通常是指交流信号或者跳变信号。地线干扰的形式很多，有人把它归结成两类：地线环路干扰、公共阻抗干扰，其实应该还要加上地线环路的电磁耦合干扰，因此是三类。下图可以很好的说明三类地线干扰的成因。 一、地环路干扰。横向，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成影响。具体的说就是“其他电路单元B”的地线电流，在J、N、L、M形成的“地线环路”中，对放大器A1和A2造成了影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。 二、地环路电磁耦合干扰。在实际电路的PCB上，J、N、L、M形成的“地线环路”将包围一定的面积，根据电磁感应定律，如果这个环路所包围的面积中有变化的磁场存在，就会在环路中产生感生电流，形成干扰。空间磁场的变化无处不在，于是包围的面积越大干扰就越严重。 三、公共阻抗干扰。认真考察上图所示的电路结构，我们将发现，J、N、L、M中，有一条连接是多余的，随便去除其一，仍然可以满足各个接地点的连通关系，同时又可以消除地线环路。那么，将哪一条连线去除比较合理呢?这时就要考虑另一类的干扰问题——公共阻抗干扰。 ①去除J：这是最差的方案。J去除后地线环路似乎消失了，可是另一个更可怕的环路又形成了(I、N、L、M)，其中I是信号线，因此干扰比原来有线J时还要严重。 ②去除M：环路消失，但是我们发现，此时放大器A2的地线电流需要流过J、N到达接地零点，注意N段是A1和A2共同的接地线，因此A2接地电流在N上形成的电压降就加到了A1上，形成干扰。这种因共用一段地线而形成的干扰称为“公共阻抗干扰”。 最合理的走线方案是：去除N，然后将M的下端直接连到“接地信号零点”上。 以上是关于接地干扰产生的原因，下面再介绍的几种常见的接地方式，结合前面对接地干扰产生原因的了解，有助于我们在实际设计PCB板电路时，正确的选择干扰最小的接地方式，设计出合理的电路或系统。 信号接地方式可以大体上分为：单点接地、多点接地、混合接地和悬浮接地 一、单点接地。 单点接地就是把真个电路系统中的某一点作为接地的基准点，所有电路及设备的地线都必须接到这一点上，并以该点作为电路、设备的零电位参考点。单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。如下图所示： 图2.串联单点接地 对于串联式单点接地方式,如果该电路的功率很大,会产生很大的电路回流,在有限阻抗上会产生一个电压降,造成电路和基准地之间的电压参考值的差异可能使系统不能如预期的那样工作。如存在多种不同功率等级的电路,不能采用串联式单点接地方式,因为大功率电路产生大的回地电流,将影响低功率器件和电路。如果说一定要采取这种接地方法,那么最敏感的电路必须直接设置在电源输入位置处,并且尽量远离低功率器件和电路。串联单点接地方式和结构都比较简单，如果各个电路的接地引线比较短，其阻抗也会相对小。如果各个电路的接地电平差别不大，可以采用这种接地方式。 并联单点接地方式中，每个电路单元独用地线连接到同意地点，其优点是各电路的地点为只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其他电路的影响。低频时可有效的避免各电路单元之间的低阻抗干扰，但是也存在很多缺点。主要表现在：首先，各个电路分别采用独立地线接地，需要多跟地线，势必增加地线长度，从而增加地阻抗，结构复杂使用麻烦;其次，这种接地方式会造成各地线互相间的耦合，并且随着频率增加，地线阻抗、地线电感、电线电容都会增大，这种接地方式不适用高频电路。 二、多点接地。 多点接地是指某一个系统中各个需要接地的电路、设备都直接接到距离它最近的接地平面上，一边接地长度最短，接地阻抗减到最小。 当电子系统的工作频率高于1MHz时,以致工作波长与系统接地引线的长度比拟时,地线就象一根终端短路的传输线,地线的电流、电压呈驻波分布,地线变成了辐射天线,而不能起到地线的作用。为了减少接地阻抗,避免辐射,地线的长度应小于1/20波长,因而单点接地方法是不合理的,通常采用多点接地技术。多点接地电路结构简单,接地线上可能出现的高频驻波现象显著减少,但多点接地可能会导致设备内部形成许多接地环路,容易对设备内部的敏感店里产生地环路干扰。 ③去除L：不仅不能解决A2与A1之间的公共阻抗干扰问题，还引起了“B单元电路”与A1、A2之间的公共阻抗干扰问题。 ④去除N：看来这是最后的方法。其实这样做将使M成为A1、A2的“公用阻抗”，同样形成干扰。还是存在问题!但是，我们注意到，此法中的干扰是A1对A2的干扰，A2是后级，工作信号强度远大于A1，因此A1对A2的干扰，很难造成不良后果。
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滤波、接地、屏蔽、PCB布局四大视角看EMC设计
电磁干扰的主要方式是传导干扰、辐射干扰、共阻抗耦合和感应耦合。对这几种途径产生的干扰我们应采用的相应对策：传导采取滤波，辐射干扰采用屏蔽和接地等措施，就能够大大提高产品的抵抗电磁干扰的能力，也可以有效的降低对外界的电磁干扰。本文从滤波设计、接地设计、屏蔽设计和PCB布局布线技巧四个角度，介绍EMC的设计技巧。一、EMC滤波设计技巧EMC设计中的滤波器通常指由L，C构成的低通滤波器。滤波器结构的选择是由"最大不匹配原则"决定的。即在任何滤波器中，电容两端存在高阻抗，电感两端存在低阻抗。图1是利用最大不匹配原则得到的滤波器的结构与ZS和ZL的配合关系，每种情形给出了2种结构及相应的衰减斜率(n表示滤波器中电容元件和电感元件的总数)。其中：l和r分别为引线的长度和半径。寄生电感会与电容产生串联谐振，即自谐振，在自谐振频率fo处，去耦电容呈现的阻抗最小，去耦效果最好。但对频率f高于f／o的噪声成份，去耦电容呈电感性，阻抗随频率的升高而变大，使去耦或旁路作用大大下降。实践中，应根据噪声的最高频率fmax来选择去耦电容的自谐振频率f0，最佳取值为fo=fmax。去耦电容容量的选择 在数字系统中，去耦电容的容量通常按下式估算：二、EMC接地设计接地是最有效的抑制骚扰源的方法，可解决50%的EMC问题。系统基准地与大地相连，可抑制电磁骚扰。外壳金属件直接接大地，还可以提供静电电荷的泄漏通路，防止静电积累。在地线设计中应注意以下几点：（1）正确选择单点接地与多点接地 在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用单点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。 （2）将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。 （3）尽量加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三位于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。 （4）将接地线构成闭环路 设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路组件，尤其遇有耗电多的组件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。三、EMC屏蔽设计屏蔽就是以金属隔离的原理来控制某一区域的电场或磁场对另一区域的干扰。它包括两个含义：一是将电路、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止电磁干扰向外扩散；二是用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁干扰的影响。屏蔽按照机理可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽三种不同方式。电场屏蔽电子设备中的电场通常是交变电场，因此可以将两个系统间的电场感应认为是两个系统之间分布电容Cj的耦合，如图2所示。则接受器上的感应电压为由此可知，要使接受器的感应电压Us减小，Zp应尽可能的小。所以，屏蔽体必须选择导电性能良好的材料，而且须有良好的接地。否则，因为Cl>Cj，C2>Cj，若屏蔽体的接地电阻较大，将使屏蔽体加入后造成的干扰反而变得更大。磁场屏蔽是指对低频磁场和高频磁场的屏蔽。低频磁场的屏蔽采用高导磁率的铁磁性材料。利用铁磁性材料的高导磁率对干扰磁场进行分路，使通过空气的磁通大为减少，从而降低对被干扰源的影响，起到磁场屏蔽的作用。由于是磁分路，所以屏蔽材料屏蔽材料 的磁导率U越高，屏蔽罩屏蔽罩越厚，磁分路流过的磁通越多，屏蔽效果越好。高频磁场的屏蔽采用低电阻率的良导体作为屏蔽材料屏蔽材料。外界高频磁场在屏蔽体中产生涡流，涡流形成的磁场抑制和抵消外界磁场，从而起到了屏蔽的作用。与低频磁屏蔽不同，由于高频涡流的趋肤效应，屏蔽体的尺寸并不是屏蔽效果的关键所在，而且屏蔽体接地与否和屏蔽效果也没有关系。但对于高频磁屏蔽的金属良导体而言，若有良好的接地，则同时具备了电场屏蔽和磁场屏蔽的效果。所以，通常高频磁屏蔽的屏蔽体也应接地。电磁场屏蔽电磁场屏蔽是利用屏蔽体对电场和磁场同时加以屏蔽，一般用来对高频电磁场进行屏蔽。由前述可知，对于频率较高的干扰电压，选择良导体制作屏蔽体，且有良好的接地，则可起到对电场和磁场同时进行屏蔽的效果。但是必须注意，对高频磁场屏蔽的涡流不仅对外来干扰产生抵制作用，同时还可能对被屏蔽体保护的设备内部带来不利的影响，从而产生新的干扰。四、PCB设计之布局布线策略1.选择合理的导线宽度 由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能地短。对于分立组件电路，印制导线宽度在1.5mm左右时，即可完全满足要求；对于集成电路，印制导线宽度可在0.2～1.0mm之间选择。2.采用正确的布线策略 布线时需要注意的几个方面：（1）保持环路面积最小，降低干扰对系统的影响，提高系统的抗干扰性能。并联的导线紧紧放在一起，使用一条粗导线进行连接，信号线紧挨地平面布线可以降低干扰。电源与地之间增加高频滤波电容。（2）使导线长度尽可能的缩短，减小印制板的面积，降低导线上的干扰。（3）采用完整的地平面设计，采用多层板设计，铺设地层，便于干扰信号泄放。（4）使电子元件远离可能会发生放电的平面如机箱面板、把手、螺钉等，保持机壳与地良好接触，为干扰提供良好的泄放通道。对敏感信号包地处理，降低干扰。（5）尽量采用贴片元器件。（6）模拟地与数字地在PCB与外界连接处进行一点接地。（7）高速逻辑电路应靠近连接器边缘，低速逻辑电路和存储器则应布置在远离连接器处，中速逻辑电路则布置在高速逻辑电路和低速逻辑电路之间。（8）电路板上的印制线宽度不要突变，拐角应采用圆弧形，不要直角或尖角。（9）时钟线、信号线也尽可能靠近地线，并且走线不要过长，以减小回路的环面积。3.印制电路板的尺寸与器件的布置 印制电路板大小要适中，过大时印制线条长，阻抗增加，不仅抗噪声能力下降，成本也高；过小，则散热不好，同时易受临近线条干扰。 在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有可能，应另做电路板。
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示波器的安全连接及浮地测量
关于接地，有三个著名的小众名言，其中之一是SI之父说的，“忘记地，记住那是信号回路”;另外一个是我们的一位ScopeArt先生说的，“对于使用单端探头测量，要努力地寻找干净的地”;第三个名言是工程师们的口头禅，“接地是永恒的话题”。本文作者陈曦先生来自于全球照明行业的领导者Philips Lighting，他的文章显示了他的积累。陈君对于仪器该怎样接地才是安全的给出了模型上的分析，一目了然。我今天重新读了之后，感觉到针对每种图形的文字解释少了点，但转念一想这样也好，可以引导您仔细地想一想这些图形的含义。 一点小遗憾是，作者最后给出了一个非常重要的经验性结论：“在我们日常的测量中示波器浮地之后带来的误差在可以忽略的情况下，是不会影响我们的测量结果的。考虑到安全原因，我们还是尽量将示波器输入电源的地线断开的。” 但作者没有给出更多深入的分析和测试对比。 其实，关于这类话题正是我们在500场示波器巡回交流会中遇到次数最多的问题。 摘要： 作为电源工程师，我们工作中不可避免的要常常同电有亲密接触。安全第一是一句老生常谈的话，但是人总会有麻痹松懈的时候。这就要求我们不但要有安全的意识，实验台的仪器设置也要尽量以安全的方式来避免触电的发生。示波器是我们实验台上重要的一个仪器，如何安全并准确的使用与我们的工作息息相关。 引言： 首先一点，双线触电，同时接触两个带电点总是危险的，不能被可靠的保护。 而单线触电，即工作中无意中碰到带电部分，通过我们的安全设置，是可以保证安全的。这里还有一个前提是我们和大地是相连的 (不要依赖大地的绝缘，因为不是每处每刻都相同的)。 1 实验室的电气设备 这里我们对实验室的设备和电源做一些简化模型，以利我们后面的分析。人体我们视作与大地相连的电阻。 台式万用表，功率分析仪等 图1. 电气测量设备简化模型 示波器 图2. 示波器简化模型 被测样品 图3.被测线路简化模型 因为我们只作安全连结性的分析，因此设备模型只看输入输出，简化了其余部分。大多数的电气测量设备都是与输入电源隔离的，而我们的被测样品可能是直接整流，也可能有隔离电源，这里为了方便分析，我们统一视作从输入电源直接整流而来。另外值得注意的一点是示波器的无源探头的地是和输入线的地是连通的。 2 实验室的电气设备的连接 首先我们来看最不安全的情况 图4. 不安全的连接1 这种情况是最不安全的连接，所有设备，包括被测样品都直接连接到市电上，这样的情况下，不但人体接触到被测样品会有危险，甚至被测样品自己都会有短路危险。因此我们需要一个隔离的电源来给被测试品供电。下面两个图示的被测试样品采用了隔离电源，但仍然是不安全的。 图5. 不安全的连接2 虽然被测试品采用了隔离电源，但是由于示波器的地连接到了大地，被测试品的输出电压仍能通过人体形成回路造成触电的危险。 图6. 不安全的连接3 上图很多人认为是安全的连接了，这就是我们常看到的示波器接地线被断开的情况。但实际上还是存在安全隐患，如果电源连接的示波器过多，就会造成流过Y电容的电流累积超过安全电流的危险。因此我们需要把示波器都连接到隔离电源上。 图7. 安全的连接3 上图就是我们推荐的安全连接设置，此时人体单点接触到被测试品的任何一点都不会有触电危险。有人会问，如果示波器全部采用隔离探头不是就不用断开示波器的电源接地线了吗。确实是这样，但是由于隔离探头的带宽限制，以及不适用于测量小信号，我们不可能只使用隔离探头。 3 示波器浮地测量 我们都知道任何测量都要基于一个参考点。之所以示波器的探头地要连接到大地，就是因为大地是一个参考零电平。地球上的任何一个点都对大地有一个相对电位，都会有寄生电容连接到大地。而我们将示波器浮地之后，不可避免的会引入一个共模信号。实际上测量中还是存在各种分布电容和电感，就算连接到大地，线上的电阻和寄生参数也是存在的。在我们日常的测量中示波器浮地之后带来的误差在可以忽略的情况下，是不会影响我们的测量结果的。考虑到安全原因，我们还是尽量将示波器输入电源的地线断开的。
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您的接地很靠谱吗？– 雷人至晕的测试故事(2)
如果哪位仁兄没有遇到过接地的问题，肯定不是干EE的! 在研发和测试过程中的接地都很重要。不良的接地，不仅可能导致错误的测量，甚至会损坏仪器和被测件。 例如， 在使用示波器时， 会看到很大的噪声和诡异的波形，让波形显示不成样子; 万用表测量时， 会非常高的测量和读数误差等等。 老赤脚医生还遇到过更多的故事： 故事1： 一个学校实验室，发现一段时间以来，示波器的前端经常会被烧。结果一查墙上的电源插座， 完全没有接地。示波器外壳摸上去，感觉麻麻的。 故事2： 一个手机生产厂，在产线搬家后， 发现误测率猛然提升了20%。 查下来才发现，测试系统的地线与回流焊、贴片机的地线接到了一起。不干净的接地直接导致误测率的大幅上升 故事 3: 一个电池生产厂，利用安捷伦的34970A 数据采集器监控电池组的老化过程。结果通信接口卡经常出问题， 不得不送维修部更换。 最后请我们的维修工程师上门查故障原因。结果简单地用数字表量地线和零线的电压， 112V! 晕倒! 故事 4： 一个大功率电源的用户，输入是3相电。当一接GPIB插头的时候，立刻跳闸。 结果一查，是3相电的地线接错了 相信每位工程师都能说出很多这样的故事。但接地不良的问题是怎么出现的呢? 老赤脚医生列出了一些我们常遇到的情况： 1. 实验室地线质量不好，特别是线缆老化，电工的粗心大意造成错接、误接 2. 测试仪器的接地与一些大型设备的地线接到了一起，非常不干净。通常情况下，测试仪器的接地必须是单独的一个干净的独立接地 3. 插头和接线板的问题。 这是我们最经常遇到的。 这往往是我们平时工作过程中太大意造成的。 如图1。这是我在实验室找到的一个接线板。我量了地线和零线的电压竟然是86V! 原因很简单：接线板的插头接地线不知被谁掰掉了。当然，我也看到过很多掰掉接地端的电源线。其结果是一样的 图 1： 接线板的接地端插头不知被谁掰掉了。 结果86V的地线电压 图2 所示的是我们常能看到的非中国制式的电源线，由于很多仪器是进口的，电源线有可能五花八门。如果不加考虑地就随意使用这些电源线， 同样也会出问题 图2; 不同制式的插头 右边这张图是英制的插头。不用说，这在我们的接线板上根本没法用。但还是看到有人在用。 右边分别是日制和欧制的，它们都有接地线，但当它们插入我们最常用的接线板时，就会破坏接线板内部导电铜片的弹性，时间长了，如果再插入中国制式的扁平插头，就可能造成虚接。我也看到有些工程师采用这种插头的充电器，这也会破坏接线板的连接质量。 看到这里，相信不少的工程后都想确认一下自己工作台上的接地情况。做法很简单。如果你手边有一台数字万用表，直接测量地线和零线之间的电压。如下图，就是我在安捷伦实验室中测量得到的，测量值仅为1.2V, 非常良好的接地! 图3： 检测接地质量的最简单方法 但地线电压与零线之间的电压会不会是0V呢?如果是0V，就说明在配电端，电工偷懒把地线和零线短路了，根本没有接地!
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仪器设备测量测试系统接地不好的危害
在大部分的测量测试系统中，接地的性质基本上可以分成四类： 1、电气接地：原本是电路与大地之间的导电连接。但是，在电子设备制造业中，这个词的意义已经放宽成用作零电压参考的一个点或几个点； 2、电源地：提供仪器工作所需电源的电流的返回路径； 3、信号地：所有信号电流的参考点和返回路径； 4、屏蔽地：通常是仪器的金属外壳以及电缆的屏蔽。 一个良好的接地系统，会给测量上减少很多不必要的麻烦，仪器设备要正常使用必须保证良好的接地，良好的接地有多种目的，有最求安全的，有追求电路稳定的，主要有如下几点： 1、将机器接地，在漏电情况下可以使仪器壳体不会带电，使用更加安全； 2、建立一个零电压基准点或者一个回路路径给整合在一起的各讯号，以达正常测量目的； 3、接地良好可以有效屏蔽电场和磁场的干扰，包括外界对仪器的干扰，仪器电源对测量的干扰，仪器对外部的干扰。 为了更好的接地，所以在仪器设备的制造中往往会预留专门的接地端子来接保护地线。 接地不良会产生触电危险！ 仪器类产品AC电源端口电路中EARTH与产品金属外壳相连，一旦出现接地不良时，产品金属外壳上将存在110VAC高压。 C2和C3为安规电容，当失效后击穿不会短路，而是断路，确保了安全。 以一个实际举例来说明下不接地线危害： 故意减掉PA2000mini功率分析仪的地线，这时候仪器处于接地不良的状态，机壳会带110V电压，会发生触电危险！ 推荐使用感应式试电笔进行检测。 接地不良会对仪器的通信产生干扰！ 虽然功率分析仪设备通道间都是带有隔离的，但根据物理规律，两个绝缘导体之间会形成电容，高频信号是可以通过的，接地不良，会导致外部的干扰窜到机器内部，如果此时干扰过大，而机器通讯正好处于重要数据传输时，将会影响机器内部通讯，轻者导致测试不准确，严重则导致机器通讯中断。 在接地不良的情况下，给机器大规模的干扰模拟，最终导致机器通讯失败，主机与子卡间的PCIE通信异常。 相信大家看到以上举例对接地的危害也有了一定的理解，虽然我们是以功率分析仪来举例的，但仪器设备都可以一致看待，如示波器、电源等。 仪器产品接地注意事项 针对接地危害，我们可以总结出如下经验： 1.电源线使用原配原包装的电源线； 2.上电前请万用表确认排插或电源插座的PE端连接性良好； 3.凡存在保护端子的产品必须将保护端子与大地连接； 4.接地线尽量不能超过1m，接地线越粗越好； 5.多个系统共地时，尽量采用没有共阻抗的单点接地，避免共阻抗干扰。
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LED电源接地技术
繁华的城市离不开LED灯的装饰，相信大家都见过LED，它的身影已经出现在了我们的生活的各个地方，也照亮着我们的生活。LED大屏幕核心元器件是由LED灯珠及IC驱动组成，由于LED对于静电很敏感，静电过大会导致发光二极管击穿，因此安装LED大屏幕过程中必须要做好接地措施，才能避免死灯的风险。 LED大屏幕的工作电压在5V左右，一般工作电流为20毫安以下，LED的工作特性决定了它面对静电和异常电压或电流冲击的抗性十分脆弱。这就需要我们在生产和使用过程中认识到这一点，并给予足够的重视，采取有效措施对LED大屏幕进行保护。而电源接地是LED大屏幕常用的一种保护方法。 为什么电源要接地?这个和开关电源的工作模式有关，LED大屏幕开关电源是一种通过滤波—整流—脉冲调制—输出整流—滤波等一系列手段将交流(AC)220V市电转化成直流(DC)5V直流电源稳定输出的一种设备。为了保证电源AC/DC转化的稳定性，电源厂家按照国家3C强制标准在AC220V输入端的电路设计中，从火线至地线跨接一个EMI滤波电路。以保证AC220V输入的稳定性，所以所有的电源在工作是都会存在滤波漏电，单个电源的漏电流的3.5mA左右。漏电电压约为110V。在LED大屏幕不接地的情况下，漏电流不但可能引起芯片损坏或者灯管烧坏。 如果使用20个电源以上，累加的漏电流达到70mA以上。足以导致漏电保护器动作，切断供电。这个也是为什么LED大屏幕无法使用漏电保护器的原因。如果不接漏电保护而且LED大屏幕不接地，电源叠加的电流将超过人体安全电流，110V的电压足以致人死地!而接地后，电源外壳电压对人体接近0。表明电源与人体之间不存在电位差，漏电流被导入大地。所以，LED大屏幕必须接地。 但是经常有客户采用错误的接地方法为LED大屏幕接地，常见的有： 1、认为户外立柱式结构的立柱下端是与大地连接，所以不需要再做LED大屏幕接地; 2、认为电源是锁在箱体上，而箱体之间是相互用锁扣与结构连接，所以结构接地就代表电源也接地。 此两类做法存在误区，立柱是与地基的地脚螺栓保持连接，而地脚螺栓是预埋在混凝土里面的，混凝土的电阻在100-500Ω的范围内，接地电阻过高将导致漏电流泄放不及时或存在残留。箱体表面有喷涂油漆，而油漆是电的不良导体，将会导致箱体连接接地的接触不良或接地电阻升高，有可能出现电火花干扰LED大屏幕体信号。随着时间的推移，LED大屏幕箱体或结构表面将会出现氧化和锈蚀，螺丝等固定件也随着温差变化导致的热胀冷缩逐渐松动。将会导致LED大屏幕结构接地的效果减弱甚至完全失效。形成安全隐患。导致漏流触电、芯片受干扰损坏等安全事故的发生。 那么，标准的接地应该是怎样的呢?电源输入端有3个接线端子，分别是火线端子、零线端子和接地端子。正确的接地做法是使用接地专用的黄绿双色线将所有电源地线端子串接并锁紧，然后引出连接至接地端。 如果现场没有接地端子，可以连接至铁质自来水管或铁质下水管道等埋设与大地并与大地保持良好接触的管道上，为保证接触良好应在此类自然接地体上焊接接线端子，然后将地线紧锁在接线端子上，不得捆绑连接。但煤气等易燃易爆和的管道不得使用。或者现场埋设接地体。接地体可以采用角钢或者钢管，水平或者竖直埋入大地中作为简易接地点，接地点应选择偏僻的地方，以免行人或者车辆破坏接地体。 接地时接地电阻必须小于4欧姆，以保证漏电流的及时泄放。需要注意的是，防雷接地端在泄放雷击电流时由于大地电流的扩散需要一定时间，短时间内会导致大地电位升高，如果LED大屏幕接地连接至防雷接地端，这时大地电位比LED大屏幕要高，雷击电流将会沿顺这地线传递至LED屏体，造成设备损坏。 所以LED大屏幕这种保护接地不得联结至防雷接地端上，保护接地端必须距离防雷接地端20米以上。防止地电位的反击。以上就是LED技术的相关知识，相信随着科学技术的发展，未来的LED灯回越来越高效，使用寿命也会由很大的提升，为我们带来更大便利。
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电磁流量计现场使用为何必须接地？
1、由于传感器的输出信号很小，通常只有几毫伏。为了提高仪表抗干扰能力，输入回路中的零电位必须接地，以大地电位为零电位，这是传感器接地的充分条件。 接地不良或没接地线会导致外界干扰信号，导致电磁流量计AD转换器采样出错，报错形式有：空管、信号为零或信号出现负值。2、传感器输出信号的接地点应与被测介质电气连接，这是电磁流量计工作的必要条件。 如不满足这个条件，电磁流量计就不能正常工作，这是传感器的信号回路决定的。当流体切割磁力线产生流量信号时，是以流体本身作为零电位的，一个电极上的产生正电势，另一个电极上产生负电势，不断交替变化。因此，转换器输入端中点（信号电缆屏蔽层）必须与流体共处于零电位且导通，这样才能构成对称的输入回路。转换器的输入端中点是通过传感器输出信号的接地点与被测流体电气连通的。3、对于以大地电位为参考电位，与大地的连接问题，由于一般金属管道都与大地连通，流动介质通过金属管道与大地电气连接，所以这一点一般均能满足。因此，电磁流量计并不要求非单独设置接地装置不可，尤其是小口径电磁流量传感器，但单独设置接地装置有利于仪表的可靠运行。也就是说，对于电磁流量计的接地问题必须有一个正确的认识，要重视，但又不能盲目地过分强调。
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复杂电路接地和供电的实用方法
本文将从功率传输的角度来阐述如何优化复杂电路，以便能够改善信号完整性，使各个功能模块正确接地来实现最终的系统设计。这里将重点放在理解电路的需求和预先规划最终的系统。 随着电子产品尺寸变得越来越紧凑、功能越来越强大、用途更加广泛，最终的系统级要求，以及移动和固定设备的复杂性也变得日益突出。这种复杂性来源于要求在模拟和数字电路之间实现无线和有线的互连，需要系统工程师使用多个电源轨和混合电路设计。具有模拟和数字信号的电路一般倾向于设置几个接地参考，这样经常导致电路杂乱无章，设计目的无法实现，表面上看上去很可靠的方案却最终成为故障之源。 为了打牢复杂电路系统坚实的工程化基础，必须要使电源和接地解决方案主动地去按照工程化要求实施来优化性能和散热问题，同时减少EMI辐射和信号的噪声干扰。本文将从功率传输的角度来阐述如何优化复杂电路，以便能够改善信号完整性，使各个功能模块正确接地来实现最终的系统设计。这里将重点放在理解电路的需求和预先规划最终的系统，因为这两个步骤的结果是有效地把图纸转变为最终的印刷电路板。在设计阶段花一些时间从电流路径和噪声敏感性的角度来考虑一个复杂系统的每个功能模块，然后根据电流总是在一个循环回路中流动的简单公理来设置这些模块及供电电路，这样当今系统工程师所面对的复杂电路就可以分解为许多可管理的部分，以便实现最终的可靠设计。 简单电路的电源和接地分析 为了证明该理论，让我们来看一个简单的电路并考虑所示的连接。该基本电路包括三个要素，一个低压差(LDO)线性调节器，一个微处理USB数据线接到音频驱动器，和一个扬声器，所有这些都由一个连接到某个计算主机的USB插头供电。在本例中，USB到音频驱动器必须用3.3V供电。由于扬声器采用音频驱动器的输出供电，所以音频输入驱动器需要+3.3V LDO，其由USB连接器供电(+5V)，这似乎可以得到一个显而易见的结论，即可将它们放置在图1(a)原理图所示的位置。 但是，在这种框架下，驱动扬声器工作的电流在返回到电流源驱动器时会产生一个电压反弹，该电压反弹会反过来作用于LDO并最终影响到USB连接器。在本例中，把USB数据转换为音乐的基准电压会以音乐播放的速率反弹。由于扬声器电感所产生的相移会增大误差，这将和由于电流提升产生的高音量混合在一起。电压反弹也将导致纹波出现，这将降低扬声器发出的音质。 有两种方法可尽量减少纹波电流的影响。一是通过在非常接近USB到音频IC处增加一个电容(C1)，使其接在VLDO节点到GND引脚之间，这样一来该电容器被置于这些节点的中心位置。减少纹波应该针对所感兴趣的频率，在本例中的情况下，为可听范围<20kHz。可以通过电容电流等式(1)来选取电容值以便尽量降低LDO的纹波电流，直至干扰完全去除。 这将减少到达DC的纹波，之后电流只引起电压降，并且不会随时间而变化很多(上面等式中的Δt应该被视为可听频率12~14kHz的平均值)。通过在各IC之间使用较宽的电源和GND连接来限制由欧姆定律所得到的电压降值(电流与电阻的乘积)，可控制误差的大小。 图1：一个简单的电路表明电源电路会引起反弹，而且会返回电源。 GND和电源线的宽度应当根据可接受的损耗来确定。对于典型的1盎司铜印刷电路板，其电阻可以估算大约为每平方0.5mΩ。由于此问题不能总是通过添加电容去缓解，而应该采用Figure 1(b)中的方案来从根本上解决。LDO是放在音频驱动IC的上方，可以使立体声电流回路避免了敏感的音频驱动GND，这样产生的GND电压反弹不会影响音频驱动，只有小的纹波干扰出现。 复杂电路的电源和接地优化策略 在上面的应用案例中，只有两个电流回路。现在，我们换一个更复杂的例子。下面考虑的是一个较为复杂的平板电脑系统。在本例中，平板电脑包括背光、触屏、摄像头、充电系统(USB和无线)、蓝牙、WiFi、音频输出(扬声器，耳机)、以及用于存储数据的存储器。当然，这些应用的大部分都需要不同电压的电源轨以便更好地工作。 如图2所示，该系统具有五个电源轨和两种给电池充电的方法，这意味着至少会有五个电流回路。但相比直流电源，以及相关的各条电流路径，实际应用中有更多需要考虑的方面。电路中有多个开关稳压器，广播和接收天线系统，所有这些都需要使用微处理器来协调和控制。展示的与电源和它们供电的模块相关联的电源路径和GND路径，有助于将电源和负载电流评估进行汇总，从而实现以下目的：[!--empirenews.page--] 1.考虑元件的额定功率和公差 2.确定连接宽度 3.确定对电压降、噪声引入或产生的敏感度 4.限制电流环路面积以减少EMI辐射 在图2中，主电源轨已被颜色编码，流经相应GND符号处的电流已被匹配到提供电流的电源轨。例如，每一个与电池充电不相关的部件(红色)，有一个端电流返回到电池，但USB到音频IC由3.3V BUCK调节器供电，而它是由5V Boost调节器供电的，之后接到电池。因此，GND电流从音频IC按先后顺序返回到各调节器，然后到达电池，音频IC电流不会直接返回到电池。 图2：典型的移动平板电脑示意图模块。 图2所示的系统采用了一个锂离子电池，通过USB充电器或无线功率发射器和接收器可以进行充电。电池电压可被升压到+ 5V(用于相机变焦马达、针对微处理器的+3.3V降压调节器、音频和触摸屏)，可降压到+ 1.2V(用于微处理器、存储器、蓝牙和WiFi)，也可升压到+ 7V用于相机闪光灯。显然，电压调节器应放在各自的负载附近，但最终由于产品形状尺寸的限制，通常迫使设计者把负载放在距离电源较远的位置，或在电路板周围混杂放置。可以看出，每个电源需要支持多个负载，因此必须采用精心策划的布线和布局方案来控制电流路径和无意产生的EMI。这里是一些重要的布局考虑因素：i)可用的空间，ⅱ)机械方面的约束，ⅲ)电源和GND轨可接受的电压降(负载电流和迹线/平面正方形数目的乘积)，ⅳ)电源和GND电流路径，以及v)成本(PCB层数，组件)，ⅵ)数字或模拟信号的频率，以及从电源直接返回路径的可行性。 作为最后一个案例，这里介绍一个假设的具有机械约束的最终系统。在这样的系统中，用户界面和整体尺寸会给设计带来一些限制。图3示出了每一个模块的实际位置： 图3：典型的移动平板电脑应用模块和布局。 图3中的每个电源都被颜色编码以便区分，图中最重要的部分是彩色标识的GND返回电流。因为多个电源是串联的，导致每个最终负载和GND电流被迫以它们被加电时相同的顺序去完成返回路径。例如，电池为BUCK1.2V调节器加电，该调节器为微处理器供电。因此，流经微处理器的电流在返回到电池之前，将直接返回到BUCK1.2V调节器器GND端。如果未能预见到全部的电流回路和电流路径完成的次序，就可能导致电路运行不稳定，或者没有足够的GND电流返回，原因是这些问题没有在电路布局中适当地考虑到并加以控制。 例如，可以很容易地想到系统工程师会把蓝牙和WiFi天线放置在相机和闪光灯的位置。由照相机与无线/蓝牙模块的位置颠倒产生的问题是，即使+ 1.2V电源仍然可正常地把电力分开来提供给那些需要的模块，高频蓝牙和WiFi的GND返回电流会直接流过微处理器/存储器模块的下方，由此可把与天线相关的纹波电流和电压反弹直接引入到高频微处理器GND和存储器存取。这将导致电池温度的模-数转换错误，可能会破坏扬声器的立体声音质，影响相机的分辨率，并导致存储器错误，以至于数据丢失。通过比较，如图中所画部分所示，从BUCK1.2V调节器到每个独立的负载和返回电源路径(在这种情况下为BUCK1.2V)，WiFi /蓝牙电源和GND电流将保持独立并且采取并联方式，避免了所有上述问题。 值得注意的是，上述所列出的各例中都假设采用一个单一的GND，并且被画在一个铜平面上，该平面在一个PCB层中为连续和不间断的。此接地平面由电路中所有的模块共享，而不是隔分GND平面，或把它分离为多个子部分，之后使用组件来连接GND平面及控制电流路径。特意的模块布局已经开始得到实施，因为这种方法使用自然的电流流动可以使电路屏蔽免受不需要的GND反弹影响。任何承载电流或电压(正电位)的线路必须要有一个返回路径，而返回路径应尽可能地接近正电位形式的信号，并且会被分配到源信号/电源轨下方的GND平面上。 在理解了电流的流动和最小化电流环路的概念后可以得到一个明显的结论，单点接地方法是PCB设计的理想和首选方法，因为它显著减少了元件数量，电路板层数和潜在的辐射：每段线路和模块应该在PCB板上具有尽可能短的返回路径。按照此指导原则，系统设计人员只需要从正确的走线宽度、组件和模块的智能布局等角度来控制PCB设计。他没有必要去检查每一段线路，或搭建多个实验板以获得正确的电源、信号和GND方案。单一、不间断的GND平面层带来的另外一个优点是该平面的连续性允许产生的热量均匀地散布在整个PCB表面，从而实现较低的工作温度。[!--empirenews.page--] 结论 用于驱动任何电路的任何信号(或电源)，必须有适当的路径返回到源头。电路设计人员必须考虑源和接地方案以正确地实现最终的系统方案。在实施阶段考虑负载和负载类型是至关重要的，这样可以使那些引起电压反弹的电流路径得到控制。在GND噪声不影响PCB性能的区域，布局和定位那些电流通路是实现有效和高效电路设计的关键。
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某数字式控制器电磁兼容性设计与分析
摘要 介绍了数字电路中电磁兼容的目的和意义，通过分析某数字式控制器的具体结构、干扰源及其传播路径和特点，提出了从4个方面进行电磁兼容设计与改进，即系统设计、机械结构设计、滤波器设计和接地设计，并通过具体的频谱扫描图对设计改进前后进行对比，验证了理论分析与设计改进措施的合理性与正确性。 随着计算机技术的发展，数字式控制器被广泛应用于飞机和无人机领域，数字式控制器较模拟式控制器有诸多优点，但对其应用也带来一些负面影响，较为突出的是在飞机机载设备环境下的电磁兼容问题，若不采取相应的电磁兼容设计和工程方法的解决，则会产生严重问题。 本文针对某飞机机载数字式控制器在电磁兼容性试验中遇到的问题，通过电磁理论分析和工程实践手段对其进行具体分析，系统提出了数字式控制器的电磁兼容性设计方法，通过相关工程实践解决了电磁兼容试验中的辐射发射和传导发射超标问题，并通过电磁兼容性试验验证了设计与工程方法的可行性。 1 电磁兼容性试验要求 机载设备电磁兼容性试验的内容包括传导发射、辐射发射、传导敏感度和辐射敏感度。对于机载数字式控制器的电磁兼容设计必须根据机载环境、干扰源的特点以及传播途径，从系统设计、机械结构设计、滤波器设计和接地设计等方面进行。 2 系统构型及电磁干扰源 该数字式控制器的主要功能是采集、记录、处理各种传感器信号和输入的数字信号，根据设置好的控制率，实现对系统的输出控制。某数字式控制器系统架构图及电磁干扰传播路径如图1所示。 该控制器的CPU是主处理模块，CPU模块内主要电磁干扰源有两个，如图1所示，20 MHz的晶振是CPU模块中的主处理器工作时钟，同时也是底板总线的时钟;3.686 4 MHz的晶振是CPU模块中RS-422A总线通讯的时间基准。AIO模块中2.4 kHz的交流激励电压用于LVDT传感器的激励电源。DIO模块主要用于离散量的调理和功率输出等，这里并无明显的频率干扰源，基本是54系列的门电路。PS模块将飞机上的27 V电源转换为控制器内使用的二次电源。 3 电磁干扰源分析 图1显示了该数字式控制器内的主要干扰源及传播途径，即20 MHz、3.686 4 MHz的晶振和2.4 kHz的交流激励电压。通常干扰源对外部的干扰有两种传播途径：一是通过为干扰源器件供电电源线传播出机箱导致的传导发射超标;另一种是通过空间辐射传播出机箱导致的辐射发射超标。因此，对电磁干扰的抑制措施也主要通过这两个途径进行。 传导发射超标就是干扰信号沿着电源线或信号线传播到机箱外部，干扰信号沿电源线的传导又分为干扰源直接通过电源线传播和干扰辐射到空间被电源线接收后再传播两种方式。当机载计算机系统不能满足有关电磁干扰的限制要求时，尤其是不能通过GJB151A标准中的CE102时，最大可能的原因是电源线的滤波和防辐射措施不到位。 数字式控制器的机箱上有孔缝及连接器和电缆，而孔缝和电缆是效率较高的电磁波发射与接收天线，空间的电磁干扰通常首先被电缆接收，然后传入到计算机中，造成电路的误动作。当机载计算机系统不能满足有关电磁干扰的限制要求时，尤其是不能通过GJB151A标准中的RE102时，最大可能的原因是孔缝和电缆的电磁干扰泄露。 4 电磁兼容性设计 4.1 整机系统电磁兼容性设计 在对数字式控制器进行系统架构设计、模块功能分配、机箱模块配置以及连接器信号定义时，进行了电磁兼容性设计。 数字式控制器的20 MHz和3.686 4 MHz两个时钟晶振，是电磁兼容设计控制的重点对象，为了减小其在空间的辐射，在印制板布局时，将20 MHz晶振布在距离处理器芯片的时钟管脚最近处，而3.686 4 MHz晶振布在距离RS-422A通讯协议芯片时钟管脚最近处;走线时，将其走在印制板的内层，并处于两层地之间，在时钟线周围加地线包裹;为减少电源线上的传导干扰，在两个晶振的+5 V供电电源入口处加磁珠，在28 V电源线入口处增加电源滤波器。 连接器的信号定义也是电磁兼容性设计的重要方面。在该实例中，对数字式控制器的信号进行分类，将抗干扰能力弱的模拟信号和抗干扰能力强的28 V电源及功率离散量信号、通讯信号和调试接口均定义在一个连接器内，这样就在制作电缆时，将功率信号、电源、模拟信号、调试信号相互分开，降低了高频对模拟信号的干扰。 4.2 机械结构电磁兼容性设计 对数字式控制器而言，设计制作具有良好屏蔽效能的机箱和模块壳体，是实现电磁屏蔽的关键。机箱屏蔽效能不仅取决于屏蔽体材料，还取决于屏蔽体结构，所有机箱表面均有孔缝。因此，必须仔细处理孔缝，防止通过孔缝泄露电磁干扰信号。该控制器在机箱盖板和箱体之间加共模压导电橡胶，机箱盖板螺钉之间的距离设置入/2。对于连接器和机箱之间的缝隙，采用对高频具有良好导电性的橡胶条实现密封。 开关电源模块内的控制器的频率最大有十几kHz，但由于其控制的MOS管和变压器通过的电流较大，因此，也会产生较大的干扰，需通过给开关电源模块单独增加壳体实现双层屏蔽，以达到较好的屏蔽效果。此外，需注意的是，所有屏蔽效果的实现均依赖于屏蔽体的良好接地，因此，必须仔细处理机箱的接地，测试机箱的接地电阻是否符合机载设备的相关标准要求。 另外一种结构电磁兼容性设计的方法是对电缆的电磁屏蔽。在进行该控制器的电缆设计制作时，将电源线、模拟量信号和通讯信号分别单独做电缆且双绞屏蔽。为了减小电路对外的电磁辐射强度，将电源线和对应的地线在磁环上绕砸，或将差分信号的两根线在磁环上绕砸。而一组通讯接口中的发送和接收也分别做了屏蔽，还对每个差分电路的两根线分别进行双绞屏蔽。电缆屏蔽层的接地是通过屏蔽层与金属连接器外壳可靠接地。 4.3 电源滤波器设计 该数字式控制器的电源滤波器由电感、电容、共模电感元件构成低通滤波器，其基本电路如图2所示。 由于控制器的滤波器在安装过程中不规范，出现了CE102超标的问题，其频谱曲线如图3所示。经仔细分析和排查，发现滤波器的输入输出线距离较近，将滤波器“短路掉”，根据这一原因，进行更改后，CE102频谱扫描完全在标准范围内，其频谱曲线如图4所示。 试验结果验证了理想的滤波器安装方式是输入线尽量短，其输入和输出线隔离，滤波器外壳良好接地。 4.4 接地设计 该数字式控制器中的地包括28 V供电电源地、28V离散量信号地、数字电路地、模拟电路地和机箱搭铁地。28 V供电电源的地线必须单独引线，不能用机箱搭铁作为地线，在处理时也是单独引一根地线，不与机箱连接。数字电路地是机载计算机的二次电源地，因此，其地线中有大量的高频电流，为了抑制数字电路对模拟电路所带来的干扰，将数字电路与模拟电路分开布线、铺设地层，并减少相互影响。模拟电路地也是机载计算机的二次电源地，通常会有混合电路芯片如A/D转换器是既有模拟电源，又有数字电源供电，且只有两种电源共地后，芯片才能正常工作。将芯片的数字地和模拟地管脚通过一根最短的印制板走线相连，即单点接地，以免形成地环路。 为保证整个控制器的参考地稳定，也为了确保控制器和其他机载设备电气互联具有统一的参考，将整个系统的地与机箱通过单点接地，而机箱通过搭铁线与飞机机体或大地可靠连接。 5 结束语 本文通过分析数字式控制器的具体结构和特点，找出了主要干扰源，并从整机系统、机械结构和电源滤波器以及接地系统进行了有针对性的电磁兼容设计，使该数字式控制器的电磁兼容性试验全部达到要求，其中CE102的频谱扫描图见图5所示。同时，试验结果也验证了文中电磁兼容设计方法是行之有效的，可供其他电子设备借鉴。
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新型电视前瞻：曲屏噱头大 激光电视接地气
前瞻2014年的平板电视市场，3D、云、智能、LED已呈常态；4K，曲屏和激光巨幕，正在积极上位，而对于真正要在2014添置新电视的家庭和个人来说，则难免眼晕：曲屏，4K，激光电视，是卖点还是噱头？曲屏电视：看上去很美目前，在一些大卖场，已经可以看到55英寸的曲屏电视，以日韩厂商为主，屏幕很薄，弧度优雅，的确很吸引眼球。但其价格也贵得令人咋舌，大部分的售价为59999元。用这个价格，可以轻松的买一夏台夏普刚刚推出的70英寸4K电视，剩下的钱还能再买台国产70英寸高清。实际上，关于“以OLED做成曲屏，以示与LED相区别”在圈内早已是公开的秘密，这更多的是一种营销手段。从仿生学的角度来看，曲屏无疑更符合人眼观赏的自然机理，但目前令人咋舌的价位，以及较少的机型选择，使得其市场定位相对尴尬。尤其是曲屏目前最大尺寸只能做到55英寸，这与正在成型的“60英寸时代”的主流趋势尚有不小的差距。因为曲屏只有尺寸越大，其优势才能尽显。原因很简单，如果曲屏电视屏幕尺寸过小，观赏者只能端坐在电视中轴线的合适位置观赏。若是三口之家甚至四世同堂团团围坐，过小的视野会让曲屏的弧度优势瞬间变为劣势，观感非常不爽。从这个意义上说，曲屏仍然是各大品牌争夺话语权，显示自己实力的一种姿态，尚不到进入家庭的时机。4K电视:内容难解决4K，顾名思义，就是4个1080P，也就是其清晰度是目前高清1080P的四倍。说起来挺吸引人，看上去也的确很震撼——无论是国产厂商还是国际巨头的4K新品，演示片的画面壮阔和画质细腻，的确让人叹为观止。可以想见，如果不对4K做点研究，不明就里的消费者很难抵挡住4K的诱惑。然而只要稍加了解，就会发现事实并非所见。事实上，卖场喊得震天响的所谓4K只是高清电影正在推广的标准，和我们日常能够接触的电视节目还有很远的距离。目前，无论电视，还是影碟，也无论国内国外，都还没有可以播放的节目源。更糟糕的是，如果消费者把4K接驳在普通电视节目上，则会出现叠影重重的结果。据业界专业人士预测，4K拥有普遍的电视及电影节目源，起码还得五年甚至更长的时间。激光电视：更接地气儿从去年第三季度起，平板电视市场再起波澜，LG和环球华影相继推出了100英寸激光巨幕电视。被许多媒体形容是：“激光电视卷土重来！”。此次LG和环球华影不仅以激光电视重出江湖，且首款就将尺寸定于100英寸，这让激光电视瞬间成为2013电视的市场新热点。业内之所以对新型的激光电视寄予厚望。是因为此次推出的百寸激光巨幕新品完全不同于早年的传统激光电视。因为采用了全新的发光及成像设计理念，百寸激光巨幕电视可以令单色激光激发荧光粉，以超短焦成像投射于特制的玄乌冷屏，再以30度自然角反射入眼，从而形成一套低能低耗无辐射的拟生态放映系统。加之仅为一厘米的百寸巨幕呈现眼前，的确是不同凡响。当然，对于消费者来说，最让人心动，还是其色域丰富的高清画质，以及只需四米便可无虞观看的视距。 12毫无疑问，激光电视完全可以扮演第四代电视革命的领头羊角色。但其也面临现实的发展阻力。其作为一个新事物，尚需要时间来教育市场。即使是LG与环球华影，目前也还需要持续发力，大力向受众介绍激光电视。毕竟，仅仅是高大上还是不够的，接地气儿至关重要。关于4K，曲屏，激光电视……仁者见仁，智者见智。不管厂商以此为卖点还是噱头，三者将成2014年中国电视市场的三大热点，将是不争的事实。但是，不管厂商们如何借机消费，对于普通消费者来说，仔细研究，谨慎思考，根据自己的需要购买理想的电视才是王道。 12
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小巧节能接地气 LED花灯“闹”元宵
元宵节临近，随着时代变迁和节俭之风吹拂文化市场，中国过年花灯悄然“变脸”，小巧、节能、接地气的花灯成为主流。 记者走访山西太原市“花灯艺术之乡”横渠村发现，小巧的“马抱福”、“马年大吉”等马形挂灯非常流行，而预订大型坐地灯组的几乎寥寥无几。 “往年制作的主要是10米到20米的大型花灯，而今年1米左右的花灯就算大了。”山西横渠村红灯笼工艺花灯厂厂长白文礼说。 “一个10米的龙灯可以卖到2万元，而现在一个1米的小马灯仅卖100元，差额相当大。”白文礼说，为了勤俭节约，很多企事业单位不再搞大型灯组展出。 除了花灯的个头变小外，在一些大型灯组保留下来的特殊节庆场所，花灯的节能效果也非常突出。 农历腊月二十三至农历正月十六，平遥古城正在举办“平遥中国年”活动，古城内外张灯结彩，千年古城在元宵节期间变身灯火璀璨不夜城。 负责这次灯展的平遥县旅游局局长侯世俊告诉记者，今年古城灯展共投资120万元左右，比去年减少了30%，另外，以往大型灯组的长度都在12米以上，但是今年最大在8米左右，而且重点采用了节能环保的LED灯。 在“南国灯城”四川自贡，彩灯公园的节能灯更是大面积使用，占到总灯组的60%以上，大量采用新光源、新材料，倡导绿色低碳、节能环保。而且园内“梦幻天穹”的大灯组则是用了去年的。 山西省民俗专家杨进升表示，花灯象征着喜庆祥和、和睦团圆，自古以来就是元宵节不可或缺的部分。“花灯脱下华而不实的外衣，摆脱了古典传说、神话题材，更加贴近生活，不仅增添了浓浓年味儿，更有利于民间工艺的传承。”他说。
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农业物联网需接地气 经济适用才是关键
眼下正是甘露青鱼开捕的时节，今年传统青鱼不光将走出多元化的销售渠道，养殖青鱼也在探索用上“经济适用”版本的物联网提升养殖效益。根据无锡市农委统计，农业物联网技术已在本市水产、生猪、奶牛等养殖行业上使用，水产养殖物联网技术面积达到26000亩。但是物联网投入成本过高，总是阻碍着高科技进一步“接地气”。青鱼探索“经济适用”物联网技术“我们在摸索经济适用版本的农业物联网。”眼下正是传统年货甘露青鱼开捕的时节，这种经济附加值颇高的水产养殖业同样也是率先用上了物联网的先进技术。现在农户并不对新技术存在着迷信和依赖，而是在更为务实地使用着物联网的先进技术。“农业的成本要达到亩均万元，推广上的确有难度。”在锡山区鹅湖镇目前已经有上百亩水面开始使用物联网技术养鱼。“基本上都是示范项目。”锡山区鹅湖镇水产协会会长顾海涛表示，主要是两个农业示范项目，物联网养鱼示范点数量达到数百亩，这个项目也不仅仅只限于青鱼，还使用在苗种培育、青虾螃蟹养殖上，另一个则是智能化管理平台。对于顾海涛所在水产协会背后的青鱼养殖户来说，投入和产出比是更为关注的事情。他透露，智能化管理平台是农业示范项目，总投资是107万元，折合到亩均成本过万。水产协会以合作社的形式对上争取财政支持，可以解决掉30%—40%的费用，而剩下来的钱则是合作社农户自行解决。“养鱼过程中，我们也在尝试减少池塘传感器的使用。”据介绍，物联网中的核心传感器主要监测像溶解氧、PH值、水温、水质之中如氨氮、磷等多个指标。在务实的养殖渔民来看，这些指标之中，溶解氧才是最有意义的指标，因为鱼塘一旦缺氧，会造成鱼儿翻肚皮大面积死亡这样难以挽回的惨剧。而其他如PH值、水温、水质的氨氮、磷指标则相对不是那么重要。像水温，目前当地青鱼普遍还是露天养殖为主，即使发现水温异常，也没法采取降温措施。此外像水质指标，当地渔民可以使用常用的水质检测仪来取代。渔民们与物联网的“磨合”也还在继续，比如使用过程中会遇到网络传输、图像不清晰等运行中的问题;在传感器品牌的选择上，选择国外品牌，价格太昂贵，国产品牌则会碰上性能不稳定的状况。物联网水产养殖26000亩农业物联网当下在无锡的养殖领域普及力度不小。根据市农委的调查显示，水产养殖物联网技术面积达到了26000亩(宜兴20000亩、江阴1700亩、锡山3000亩、惠山1000亩、马山300亩)，主要对水产养殖环境(溶氧、水温、pH值、氨氮、硫化氢、亚硝酸盐、COD等)指标进行智能监控，并根据养殖智能监控系统的实测数据，进行数学模型分析，向养殖户发送手机短信，及时提供天气预报式的水质预报预警服务。此外，农业物联网还为养殖户提供投喂决策、疾病远程诊断等服务，实施水产养殖全程质量监管，并实现可追溯。据分析测算，使用物联网智能控制管理系统养鱼后，节本增效可达20%左右，预计亩均可增收1000元以上。据调查，使用水产养殖环境智能监控系统养河蟹后，每亩河蟹养殖水面监控成本约400元，每亩增产约10%-15%，亩均增效可达1000元左右，且减少了水产养殖对周边水体环境的污染。生猪养殖上使用农业物联网技术的单位3家，猪舍面积达到7000平米，对猪舍安装CO2、NH3、H2S、温度、湿度环境在线监测系统。当环境异常报警的时候，养猪户通过智能养殖平台可以对控制设备进行联动控制，根据设定参数值，对红外灯、风扇、湿帘等进行联动控制。据测算，按照普通标准化养殖，出栏一万头猪需要24个人，引进全套物联网技术后，出栏万头生猪只需1个人。采用物联网技术后，母猪受孕率和产子率均高于普通猪舍养殖的3%，能繁母猪繁殖率提高10%，有效胎次提高1-2胎，仔猪成活率能提高5%，饲料利用率能提高7%，折算后的经济收益同比增长约30%，每头猪可节约成本93元，每头母猪养殖效益增加260元。奶牛生产使用农业物联网技术的牛舍面积达到1500平米，实现了对奶牛养殖场中奶牛的自动管理，实现对奶牛的自动喂养、自动挤奶、疾病自动化监控，能对每一头奶牛进行追踪溯源。据测算，使用物联网技术可降低人工成本20%以上，奶牛个体产奶水平提高15%，使用年限延长1-2年，每头奶牛可增加经济效益3000-3500元。物联网投入高使用率不高农户与农业物联网“磨合”中的烦恼，农林部门也是门儿清。相关负责人指出，比如当下物联网产品尚无国家标准，导致不同生产厂家的物联网产品不兼容问题已成为制约物联网发展的首要因素。我国农业物联网技术的研究还相对比较落后，特别是在农业用智能传感器、RFID等感知设备的研发和制造方面，许多应用项目还主要依赖进口感知设备。中国农业大学、国家农业信息化中心、中国农科院等单位已开始进行农业专用感知设备的研制工作，但大部分产品还停留在实验室阶段，产品在稳定性、可靠性、低功耗等性能参数方面还和国外产品存在不少差距，离产业化推广还有一定的距离。农业物联网投入成本总体偏高，存在部分使用率不高的问题。农业物联网技术的应用所需要的传感器、电缆等比较贵，成本较高，一般养殖户难以承受。现在90%依赖项目资金来扶持，养殖户大规模使用还有一定难度。目前，物联网技术在养殖业的推广应用尚处于起步阶段，因基层缺少专业从事信息化的技术服务人员、运行成本高等因素，存在设备、系统使用率不是很高，特别是在畜禽养殖方面的使用率偏低等问题。凡此种种，都影响了物联网技术在农业中的普及。当前阶段农民主动使用物联网技术或市场化商业运作模式投资物联网技术应用的氛围尚未形成。
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仪器设备接地不好的危害
“接地”这个名词相信大家都很熟悉，但是在日常测试和使用中并没有得到很多人的重视，就连有经验的技术工程师都会在这里犯错误，这里跟大家一起来深究一下。 在大部分的测量测试系统中，接地的性质基本上可以分成四类： 1、电气接地：原本是电路与大地之间的导电连接。但是，在电子设备制造业中，这个词的意义已经放宽成用作零电压参考的一个点或几个点; 2、电源地：提供仪器工作所需电源的电流的返回路径; 3、信号地：所有信号电流的参考点和返回路径; 4、屏蔽地：通常是仪器的金属外壳以及电缆的屏蔽。 一个良好的接地系统，会给测量上减少很多不必要的麻烦，仪器设备要正常使用必须保证良好的接地，良好的接地有多种目的，有最求安全的，有追求电路稳定的，主要有如下几点： 1、 将机器接地，在漏电情况下可以使仪器壳体不会带电，使用更加安全; 2、 建立一个零电压基准点或者一个回路路径给整合在一起的各讯号，以达正常测量目的; 3、 接地良好可以有效屏蔽电场和磁场的干扰，包括外界对仪器的干扰，仪器电源对测量的干扰，仪器对外部的干扰。 为了更好的接地，所以在仪器设备的制造中往往会预留专门的接地端子来接保护地线。 接地不良会产生触电危险! 仪器类产品AC电源端口电路中EARTH与产品金属外壳相连，一旦出现接地不良时，产品金属外壳上将存在110VAC高压。 C2和C3为安规电容，当失效后击穿不会短路，而是断路，确保了安全。 以一个实际举例来说明下不接地线危害： 故意减掉PA2000mini功率分析仪的地线，这时候仪器处于接地不良的状态，机壳会带110V电压，会发生触电危险! 推荐使用感应式试电笔进行检测。 接地不良会对仪器的通信产生干扰! 虽然功率分析仪设备通道间都是带有隔离的，但根据物理规律，两个绝缘导体之间会形成电容，高频信号是可以通过的，接地不良，会导致外部的干扰窜到机器内部，如果此时干扰过大，而机器通讯正好处于重要数据传输时，将会影响机器内部通讯，轻者导致测试不准确，严重则导致机器通讯中断。 在接地不良的情况下，给机器大规模的干扰模拟，最终导致机器通讯失败，主机与子卡间的PCIE通信异常。 相信大家看到以上举例对接地的危害也有了一定的理解，虽然我们是以功率分析仪来举例的，但仪器设备都可以一致看待，如示波器、电源等。 仪器产品接地注意事项 针对接地危害，我们可以总结出如下经验： ● 电源线使用原配原包装的电源线; ● 上电前请万用表确认排插或电源插座的PE端连接性良好; ● 凡存在保护端子的产品必须将保护端子与大地连接; ● 接地线尽量不能超过1m，接地线越粗越好; ● 多个系统共地时，尽量采用没有共阻抗的单点接地，避免共阻抗干扰。
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max485总线接地的所有问题，且看全面解析
在485总线的应用中，如果简单地只用一对双绞线将各个接口的‘A’、‘B’端连接起来，而忽略了信号地的互连，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有下面二个原因： 1.共模干扰问题：485总线虽采用差分方式传输信号，似乎并不需要相对于某个参照点来判定信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了，但有人往往忽视了任何485接口IC总有一定的共模电压承受范围，如一般的-7～+12V，只有满足这个条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。比如当发送器A向接收器B发送数据时，发送器A的输出共模电压为VOS，由于两个系统具有各自独立的接地系统，存在着地电位差VGPD，那么接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。RS-485标准规定VOS≤3V，但VGPD可能会有很大幅度如十几伏甚至上百伏，且可能伴有强干扰(快速波动)，致使接收器共模输入超出正常范围并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。 2.EMI问题：发送器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道(信号地)，就会以辐射的形式返回源端(注意485的交流模型)，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。 由于上述原因，尽管485采用了差分平衡传输方式，但对整个485网络而言，必须有一条低阻的信号地将各个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线(非屏蔽双绞线)，或者是屏蔽双绞线的屏蔽层。这是最通常的接地方法。 值得注意的是，这种做法仅对高阻型共模干扰有效，由于干扰源内阻大，短接后不会形成很大的接地环路电流，对于通信不会有很大影响。若共模干扰源内阻较低时，则会在接地线上形成较大的环路电流，影响正常通信，这时应采用下述解决方案： (1) 采用浮地技术，隔断接地环路。这是较常用也是十分有效的一种方法，当共模干扰内阻很小时上述方法已不能奏效，此时可以考虑将引入干扰的节点(例如处于恶劣的工作环境的现场设备)浮置起来(也就是系统的电路地与机壳或大地隔离)，这样就隔断了接地环路，不会形成很大的环路电流。 (2) 采用隔离接口。有些情况下，出于安全或其它方面的考虑，电路地必须与机壳或大地相连，不能悬浮，这时可以采用隔离接口来隔断接地回路，但是仍然应该有一条地线将隔离侧的公共端与其它接口的工作地相连。
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接地连接非常重要，使用PCB孔来减少EMI
很多小朋友喜欢吃甜甜圈。 每每在那些轻松惬意的亲子时刻，可爱的小宝贝们难免会好奇地开启十万个为什么的连环问题。然后就会有问到它们这些甜甜圈是如何制作的，以及为什么它们在中心形成一个洞。 作为家长遇到这种时候，一定会尽力满足他的好奇心，但往往会心有余而力不足。我们也不是百科全书万事通，也不知道为什么甜甜圈会有孔。不过幸运的是，我们可以习惯性的打开手机浏览器，网上百度或Google来找到答案。 除非你有一个好奇的孩子，你会为了回答他的“为什么”而去上网百度。不然你可能不会关心甜甜圈为什么会有一个洞。类似的，作为一个电子行业从业人员，你会去了解为什么PCB中会放置有安装孔。也可能会去Google或者百度来搜索这些类型的孔洞相关知识。PCB中的安装孔是电子设计中的重要元素。每个PCB设计师都会去了解PCB安装孔的用途以及基本设计。并且，当安装孔与地面连接时，可以节省安装后的一些不必要的麻烦。 如何使用PCB孔来减少EMI? 顾名思义，PCB安装孔有助于将PCB固定到外壳上。不过这是它的物理机械用途，此外，在电磁功能方面，PCB安装孔还可用于降低电磁干扰(EMI)。对EMI敏感的PCB通常放置在金属外壳中。为了有效降低EMI，电镀PCB安装孔需要连接到地面。这样接地屏蔽之后，任何电磁干扰将从金属外壳被导向到地面。 一般的新手设计师会问的常见问题是你究竟将其连接到哪个地面?在常见的电子设备中，有信号，外壳基座和接地。根据经验，不能将安装孔连接到信号地。信号地是您的电路设计中电子元件的参考地，将电磁干扰引入其中不是件好事。 您要连接的是外壳机箱接地。这是机柜的所有接地连接的汇合点。机箱接地应连接在一个点，最好是通过星形连接。这样可以避免引起接地回路和多个接地连接。多个接地连接可导致轻微的电压差，并导致电流在机箱接地之间流动。然后将机箱接地连接到大地，以实现安全措施。 为什么具有适当的接地连接是非常重要的? 如果PCB板的外壳基座是金属壳体，那么整个金属壳体就是大地，220V电源的地线与大地相连，所有接口都需要与大地相连，螺丝也要与大地相连。这样EMC测试中进入的干扰直接从大地泄放至大地，而保证其不干扰内部系统。另外EMC的保护器件必要每个接口都有，且要贴近接口。 如果是塑料壳体，那么最好有个金属板嵌入其中。如果没有办法实现，那么就需要在布线布局上多多考虑了，敏感信号(时钟、复位、晶振等)线需要保地处理，增加滤波网络(芯片、晶振、电源)。 将电镀安装孔连接到机箱地是最佳做法，但并不是唯一遵守的最佳做法。为确保您的设备受到保护，您的机箱接地必须连接到适当的接地端。例如，如果您构建一个没有正确接地的自动停车支付机器，您可能会有客户在付款时抱怨发生“触电”。当客户触摸外壳的非绝缘金属部分时，可能会发生这种情况。 当计算机电源的机箱未正确接地时，也可能会受到轻微的电击。当将电源插座连接到建筑物的地面的接地电缆断开时，也可能发生这种情况。这可能导致相应机器上的浮动接地。 EMI屏蔽的原理依赖于适当的接地连接。具有浮动接地连接不仅会使您的客户受到轻微的电击，如果您的设备短路，则可能会危及用户的安全。如下图所示，正确的接地对于安全性和EMI屏蔽很重要。 设计PCB安装孔的基本技巧 PCB安装孔在设计中会经常用到。 当进行安装孔的安装时，有几条简单的基本原则。 首先要注意安装孔的坐标。 这里出现错误将直接导致您的PCB不能被正确安装在其外壳中。 另外还需要确保安装孔的尺寸适合您选择的螺丝。 一般不要把安装孔放在PCB的边缘上太远。 在边缘处的介质材料太少可能会在安装或拆卸过程中导致PCB上的裂纹。 您还应该在安装孔和其他部件之间留出足够的间隙。 伟大的电路设计软件，如Altium公司的序列软件Altium Designer，可以精确地放置安装孔，并定义相关的安全间距的规则。
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电源设计经验总结
科学技术的快速发展，需要工程师的能力也越来越高，对于一个电子工程师来说，电源部分的设计才是工作的核心，为此，我想通过本篇文章的几个问题和大家探讨一些自己关于电源设计的心得，让我们在电源设计方面能够都有所深入和长进。 Q1：如何来评估一个系统的电源需求 Answer：对于一个实际的电子系统，要认真的分析它的电源需求。不仅仅是关心输入电压，输出电压和电流，还要仔细考虑总的功耗，电源实现的效率，电源部分对负载变化的瞬态响应能力，关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许的电源纹波，还有散热问题等等。功耗和效率是密切相关的，效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对于整个系统的功率预算就非常有利了，对比LDO和开关电源，开关电源的效率要高一些。同时，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平。 至于负载瞬态响应能力，对于一些高性能的CPU应用就会有严格的要求，因为当CPU突然开始运行繁重的任务时，需要的启动电流是很大的，如果电源电路响应速度不够，造成瞬间电压下降过多过低，造成CPU运行出错。 一般来说，要求的电源实际值多为标称值的+-5%，所以可以据此计算出允许的电源纹波，当然要预留余量的。 散热问题对于那些大电流电源和LDO来说比较重要，通过计算也是可以评估是否合适的。 Q2：如何选择合适的电源实现电路 Answer：根据分析系统需求得出的具体技术指标，可以来选择合适的电源实现电路了。一般对于弱电部分，包括了LDO(线性电源转换器)，开关电源电容降压转换器和开关电源电感电容转换器。相比之下，LDO设计最易实现，输出纹波小，但缺点是效率有可能不高，发热量大，可提供的电流相较开关电源不大等等。而开关电源电路设计灵活，效率高，但纹波大，实现比较复杂，调试比较烦琐等等 Q3：如何为开关电源电路选择合适的元器件和参数 Answer：很多的未使用过开关电源设计的工程师会对它产生一定的畏惧心理，比如担心开关电源的干扰问题，PCB layout问题，元器件的参数和类型选择问题等。其实只要了解了，使用一个开关电源设计还是非常方便的。 一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET集成到芯片中去，这样使用就更简单了，也简化了PCB设计，但是设计的灵活性就减少了一些。 开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路，还有来控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的话，对瞬态响应能力是会有很多影响的。 而输出部分设计包含了输出电容，输出电感以及MOSFET等等，这些的选择基本上就是要满足一个性能和成本的平衡，比如高的开关频率就可以使用小的电感值(意味着小的封装和便宜的成本)，但是高的开关频率会增加干扰和对MOSFET的开关损耗，从而效率降低。使用低的开关频率带来的结果则是相反的。 对于输出电容的ESR和MOSFET的Rds_on参数选择也是非常关键的，小的ESR可以减小输出纹波，但是电容成本会增加，好的电容会贵嘛。开关电源控制器驱动能力也要注意，过多的MOSFET是不能被良好驱动的。 一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的。 Q4：如何调试开关电源电路 Answer：有一些经验可以共享给大家 1: 电源电路的输出输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源电路的先调试，避开后面电路的影响。 2: 一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围，开关电源就会工作不正常，所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的。 接地技术的讨论 Q1：为什么要接地? Answer：接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地，从而起到保护建筑物的作用。同时，接地也是保护人身安全的一种有效手段，当某种原因引起的相线(如电线绝缘不良，线路老化等)和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线到大地，从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求了。比如在通信系统中，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，因此，在接地设计中，信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注，否则，接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近，高速信号的信号回流技术中也引入了 “地”的概念。 Q2：接地的定义 Answer：在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’;对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架;对电气工程师来说，它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。 Q3：常见的接地符号 Answer: PE,PGND,FG-保护地或机壳;BGND或DC-RETURN-直流-48V( 24V)电源(电池)回流;GND-工作地;DGND-数字地;AGND-模拟地;LGND-防雷保护地。 Q4：合适的接地方式 Answer：接地有多种方式，有单点接地，多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说，单点接地用于简单电路，不同功能模块之间接地区分，以及低频(f10MHz)电路时就要采用多点接地了或者多层板(完整的地平面层)。 Q5：信号回流和跨分割的介绍 Answer：对于一个电子信号来说，它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径，所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。 第一，根据公式可以知道，辐射强度是和回路面积成正比的，就是说回流需要走的路径越长，形成的环越大，它对外辐射的干扰也越大，所以，PCB布板的时候要尽可能减小电源回路和信号回路面积。 第二，对于一个高速信号来说，提供有好的信号回流可以保证它的信号质量，这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层(或电源层)为参考来计算的，如果高速线附近有连续的地平面，这样这条线的阻抗就能保持连续，如果有段线附近没有了地参考，这样阻抗就会发生变化，不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以，布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层，或者高速线旁边并行走一两条地线，起到屏蔽和就近提供回流的功能。 第三，为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割，这也是因为信号跨越了不同电源层后，它的回流途径就会很长了，容易受到干扰。当然，不是严格要求不能跨越电源分割，对于低速的信号是可以的，因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查，尽量不要跨越，可以通过调整电源部分的走线。(这是针对多层板多个电源供应情况说的) Answer：对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面，等等。 Q6：为什么要将模拟地和数字地分开，如何分开? Answer：模拟信号和数字信号都要回流到地，因为数字信号变化速度快，从而在数字地上引起的噪声就会很大，而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起，噪声就会影响到模拟信号。 一般来说，模拟地和数字地要分开处理，然后通过细的走线连在一起，或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开，如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。 Q7：单板上的信号如何接地? Answer：对于一般器件来说，就近接地是最好的，采用了拥有完整地平面的多层板设计后，对于一般信号的接地就非常容易了，基本原则是保证走线的连续性，减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面，等等。 Q8：单板的接口器件如何接地? Answer：有些单板会有对外的输入输出接口，比如串口连接器，网口RJ45连接器等等，如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作，例如网口互连有误码，丢包等，并且会成为对外的电磁干扰源，把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地，与信号地的连接采用细的走线连接，可以串上0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的，对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。 Q9：带屏蔽层的电缆线的屏蔽层如何接地? Answer：屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上，这是因为信号地上有各种的噪声，如果屏蔽层接到了信号地上，噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰，所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净。以上就是整理的一些工程师的电源设计新的，对于初学者来说，有一定的帮助。
