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一文详解开关电源“地”的布局走线方式

2020-06-01 11:31 来源:互联网 编辑:咩咩

“地”概念

Ⅰ、定义

作为电路或系统基准的等电位点或平面

Ⅱ、符号

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

Ⅲ、作用

不同种类的接地作用各异

Ⅳ、关于“ 地”的思考

●理想地线应是一个零电位、零阻抗的物理实体

●实际的布线中,地线在 PCB 上,本身会有阻抗 成分,又有分布电容、电感构成的电抗成分;根据欧姆定律,有电流通过就会产生压降

●地线跟源(电源、信号源)构成回路,此回路的 电场会感应出外部电磁场的 RF 电流,即常说 的“噪声”,从而引起 EMI 问题

开关电源中地的分类

●交流地

●直流地

●模拟地

●数字地

●热地

●冷地

●功率地

●信号地

●安全地

●屏蔽地

●系统地

●浮地

Ⅰ、交流地:

交流电的零线,这种地通常是产生噪声的 地,应与大地区别开

Ⅱ、直流地

直流电路“地”,零电位参考点

Ⅲ、模拟地:

是各种模拟量信号的零电位

Ⅳ、数字地:

也叫逻辑地,是数字电路各种开关量(数字量)信号的零电位

Ⅴ、热地:

指变压器初级地,跟电网不隔离 ,带电

Ⅵ、冷地:

指变压器次级地,跟电网隔离 ,不带电

Ⅶ、功率地:

大电流网络器件、功率电子与磁性器件的零电位参考点

Ⅷ、信号地:

一般指传感变化信号的地线

Ⅸ、安全地:

提供大地接地点的回路,可防止触电危险

Ⅹ、屏蔽地 :

为互联的电缆与主要机架提供 0V 参考或电磁屏蔽,防止静电感应和磁场感应

Ⅺ、系统地:

整个系统模拟、数字信号公共参考点

Ⅻ、浮地:

将电路中某条支路作为 0V 参考而不接地

接地的方式

●单点接地

●多点接地

●混合接地

接地选取的原则

Ⅰ、单点接地

●指所有电路的地线接到公共地线的同一点, 以减少地回路之间的相互干扰。

●可以防止不同子系统中的电流与 RF 电流,经 过同样的返回路径,从而避免造成相互之间 的共模噪声耦合。

●根据不同系统的特点,可以选择串联单点接 地与并联单点接地。

A、单点串联接地:指所有的器件的地都连接到地总线上,然后通过总线连接到地汇接点

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

●存在着相互的共阻抗干扰:

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

●优点:

分布传输的阻抗极小

布线简单,美观

●缺点:

不适合于高频电路(f≥1MHz)

不适合于多个功率回路电路

各子系统之间存在着共阻抗干扰

由于对地分布电容的影响,会产生并联 谐振现象,大大增加地线的阻抗

B、单点并联接地 :指所有的器件的地直接接到地汇接点,不共用地总线

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

●优点:

可以防止系统内各模块之间的共阻抗干扰

●缺点:

不适合于高频电路(f≥1MHz)

会受到并联谐振的影响

由于各自的地线较长,地回路阻抗不同, 会加剧地噪声的影响,引起 RF 问题

Ⅱ、多点接地

指系统内各部分电路就近接地

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

●优点:

多根导线并联能够降低接地导体的总电感

能够提供较低的接地阻抗

●缺点  :

每根接地线的长度小于信号波长的 1/20

多点接地可能会导致设备内部形成许多接地 环路,从而降低设备对外界电磁场的抵御能力

不同的模块、设备之间组网时,地线回路容 易导致 EMI 问题

Ⅲ、混合接地

●结合了单点接地和多点接地的综合应用,一 般是在单点接地的基础上再通过一些电感或 电容多点接地,它是利用电感、电容器件在 不同频率下有不同阻抗的特性,使地线系统 在不同的频率下具有不同的接地结构,主要 适用于工作在混合频率下的电路系统。

●要注意分清楚模拟电路的地与数字电路的 地,以及他们的最佳公共连接点

Ⅳ、接地的一般选取原则

●以最高频率(对应波长为λ)为考虑对象, 当传输线的长度 L>λ,则视为高频电路,反 之,则视为低频电路。

(1)低频电路(<1MHz),建议采用单点接地;

(2)高频电路(>10MHz),建议采用多点接地;

(3)高、低频混合电路,采用混合接地。

开关电源实际布线过程中关于“地”的考虑

总则:

●根据实际应用,先分清楚地线的种类, 然后选择不同的接地方式

●不论何种接地方式,都须遵守“低阻 抗,低噪声”的原则

基本电路拓扑环路:

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

功率地线:

功率地线由于有大电流流过,如果处理不 当就会产生很大的干扰,不能带重载,甚至 不能正常工作 .

失败案例:

BUCK 线路,由 于使用大面积 的铺地,导致 干扰太大,不 能带重载。

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成功案例:

1.2KW BOOST 线路

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

Layout 需要注意的问题:

●不同的功率地线需要单独走线

●尽量不要平行走线

●尽量减少环路面积

●必须遵循“短,粗,直”的原则;因功率 地线的 di/dt 较大,太长的线天线效应明 显;太细的线会产生较大的压降;弯曲 太多或 90 度的线会产生反射效应

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

驱动地线


驱动源的地线要尽量靠近被驱动器件,以便 构成最小环路,减少振荡与 EMI 问题。

Y 电容的接地点:

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

●关于“源” 的概念

●“ 静地”是源的低端

●Y 电容的连接点,讲究一个“静”,很显然上图 Y 电容最佳连接点事 C1 的负端,以及变压器 T1 的次级 7 脚。

散热器接地:

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

散热器处于地电位,有源器件处于射频电位,故 散热器工作时可以等效于一个大的共模去耦电 容,将 RF 电流接入地。

局部接地面的应用

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

局部接地面可以捕获器件跟振荡器内部产生的 RF 磁通量,在高频电路中最常见。

一文详解开关电源“地”的布局走线方式

总结

●要弄清楚“地”的概念与分类

●根据地的种类选用不同的接地方式

●实际布线要结合安规、EMC 的要求

●关键是要理解“地”在电源中的作用,布线时需要权衡利弊得失

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