揭秘電子設計中的巧妙接地：為什么PCB地與金屬機殼用阻容連接？

電子產(chǎn)品接地問題是一個老生常談的話題，本文單講其中一小部分，主要內(nèi)容是金屬外殼與電路板的接地問題。我們經(jīng)常會看到一些系統(tǒng)設計中將PCB板的地（GND）與金屬外殼（EGND）之間通常使用一個高壓電容C1（1~100nF/2KV）并聯(lián)一個大電阻R1（1M）連接。那么為什么這么設計呢？

圖1：原理圖示意

圖2：實際PCB

電容的作用

從EMS（電磁抗擾度）角度出發(fā)，該電容在確保PE與大地連接的基礎上，旨在降低可能存在的、以大地電位作為參考的高頻干擾信號對電路產(chǎn)生的影響，從而達到抑制電路與干擾源之間瞬間共模電壓差的目的。

事實上，將GND直接連接到PE最為理想，但由于直連可能會導致操作困難或存在安全隱患，例如，經(jīng)過整流橋后產(chǎn)生的GND無法直接連接PE，因此便設計了一條既使低頻信號無法通過，卻允許高頻信號通過的通路。從EMI（電磁干擾）的角度來看，若存在與PE相連接的金屬外殼，這條高頻通道的存在亦有助于防止高頻信號輻射至外部環(huán)境。

電容是通交流阻直流的。假設機殼良好連接大地，從電磁抗擾度角度，該電容能夠抑制高頻干擾源和電路之間的動態(tài)共模電壓；從EMI角度，電容形成了高頻路徑，電路板內(nèi)部產(chǎn)生的高頻干擾會經(jīng)電容流入機殼進入大地，避免了高頻干擾形成的天線輻射。

另一種情況，假設機殼沒有可靠接大地（如沒有地線，接地棒環(huán)境干燥），則外殼電勢可能不穩(wěn)定或有靜電，如果電路板直接接外殼，就會打壞電路板芯片，加入電容，能把低頻高壓、靜電等隔離起來，保護電路板。這個并聯(lián)電容應該用Y電容或高壓薄膜電容，容值在1nF~100nF之間。

電阻的作用

這個電阻可以有效防止ESD（靜電釋放）對電路板造成損害。若僅采用電容將電路板地與外殼地相連，電路板便構成一個浮地體系。在進行ESD測試時，或者在復雜電磁場環(huán)境下使用，電荷注入電路板后難以得到有效釋放，進而會積累；當積累到一定程度，超出電路板及外殼間絕緣最薄弱點能夠承受的電壓值，便會引發(fā)放電現(xiàn)象 —— 在極短時間內(nèi)，電路板上可產(chǎn)生數(shù)十至數(shù)百安培的電流，這可能導致電路由于電磁脈沖而停止運行，或是破壞放電部位附近的連接元器件。

若加裝此阻抗件，便可逐步釋出電荷并消除高壓。根據(jù)IEC61000的ESD測試標準，每次放電需在10秒鐘內(nèi)完成2千伏電壓的釋放，故一般建議選用1兆歐至2兆歐的電阻。若外殼帶有高壓靜電，此高阻抗元件也能有效降低電流，從而避免電路芯片受損。

需要注意的問題

· 如果設備外殼良好接大地，那PCB應該也與外殼良好的單點接地，這個時候工頻干擾會通過外殼接地消除，對PCB也不會產(chǎn)生干擾；

· 如果設備使用的場合可能存在安全問題時，那必須將設備外殼良好接地；

· 為了取得更好效果，建議是設備外殼盡量良好接地，PCB與外殼單點良好接地；當然如果外殼沒有良好接地，那還不如把PCB浮地，即不與外殼連接，因為PCB與大地如果是隔離的（所謂浮地），工頻干擾回路阻抗極大，反而不會對PCB產(chǎn)生什么干擾；

· 在多個設備需互相連接時，應當盡量確保每個設備外殼均與大地在單點進行良好接地，同時每個設備內(nèi)部PCB也應與其殼體在單點進行接地；

· 然而，若在多個設備彼此連接時，設備外殼無法實現(xiàn)良好接地，那么將其轉(zhuǎn)為浮地狀態(tài)，內(nèi)部PCB無需與外殼接地反而更為適宜；

· 機殼地可能并非理想的接地選擇，例如在配電網(wǎng)中未遵守相關安全規(guī)定，無地線存在；或者是接地棒周圍土壤過于干燥，接地螺栓出現(xiàn)銹蝕或松動的情況；

· 環(huán)境是存在電磁干擾的，工作環(huán)境中有大功率變壓器、大功率電機、電磁電爐、高壓電網(wǎng)諧波等；

· PCB內(nèi)部是會產(chǎn)生高頻噪聲的，如高頻開關管、二極管、儲能電感、高頻變壓器等。這些干擾因素都會導致PCB的信號地和機殼的電勢波動（同時含有高頻低頻成分），或者二者之間存在靜電，所以對它們良好可靠的接地處理是必要的，也是產(chǎn)品安規(guī)要求的。