老生常谈的话题！PCB板必须至少有一层专用于接地层！

百科 2024-11-25 07:50 北京

一、电子产品接地问题是一个老生常谈的话题。某半导体大厂建议：“PCB板必须至少有一层专用于接地层！初始电路板布局应提供非重叠的模拟和数字接地层，如果需要，应在数个位置提供焊盘和过孔，以便安装背对背肖特基二极管或铁氧体磁珠。此外，需要时可以使用跳线将模拟和数字接地层连接在一起。”

二、为什么PCB地与金属机壳用阻容连接？

我们经常会看到一些系统设计中将PCB板的地(GND)与金属外壳(EGND)之间通常使用一个高压电容C1（1~100nF/2KV）并联一个大电阻R1（1M）连接。为什么这么设计呢？

图 1 原理图示意

图 2 实际PCB

外壳是金属的，中间是一个螺丝孔，也就是跟大地连接起来了。通过一个1M的电阻跟一个1nF的电容并联，跟电路板的地连接在一起，这样有什么好处呢？

1.外壳地如果不稳定或者有静电之类的，如果与电路板地直接连接，就会打坏电路板芯片，加入电容，就能把低频高压，静电之类的隔离起来，保护电路板。电路高频干扰之类的会被电容直接接外壳，起到了隔直通交的功能。

2.为什么又加一个1M的电阻呢？如果没有这个电阻，电路板内有静电的时候，与大地连接的0.1uF的电容是隔断了与外壳大地的连接，也就是悬空的。这些电荷积累到一定程度，就会出问题，必须要与大地连接才行，所以这个电阻用于放电。

3.1M的电阻这么大，如果外面有静电、高压之类的，也能有效降低电流，不会对电路内的芯片造成损坏。

详细分析：

1.电容的作用。从EMS角度出发，该电容在确保PE与大地连接的基础上，旨在降低可能存在的、以大地电位作为参考的高频干扰信号对电路产生的影响，从而达到抑制电路与干扰源之间瞬间共模电压差的目的。事实上，将GND直接连接到PE最为理想，但由于直连可能会导致操作困难或存在安全隐患，例如，经过整流桥后产生的GND无法直接连接PE，因此便设计了一条既使低频信号无法通过，却允许高频信号通过的通路。从EMI的角度来看，若存在与PE相连接的金属外壳，这条高频通道的存在亦有助于防止高频信号辐射至外部环境。电容是通交流阻直流的。假设机壳良好连接大地，从EMS角度，该电容能够抑制高频干扰源和电路之间的动态共模电压；从EMI角度，电容形成了高频路径，电路板内部产生的高频干扰会经电容流入机壳进入大地，避免了高频干扰形成的天线辐射。另一种情况，假设机壳没有可靠接大地（如没有地线，接地棒环境干燥），则外壳电势可能不稳定或有静电，如果电路板直接接外壳，就会打坏电路板芯片，加入电容，能把低频高压、静电等隔离起来，保护电路板。这个并联电容应该用Y电容或高压薄膜电容，容值在1nF~100nF之间。

2.电阻的作用。这个电阻可以有效防止ESD对电路板造成损害。若仅采用电容将电路板地与外壳地相连，电路板便构成一个浮地体系。在进行ESD测试时，或者在复杂电磁场环境下使用，电荷注入电路板后难以得到有效释放，进而会积累；当积累到一定程度，超出电路板及外壳间绝缘最薄弱点能够承受的电压值，便会引发放电现象——在极短时间内，电路板上可产生数十至数百安培的电流，这可能导致电路由于电磁脉冲而停止运行，或是破坏放电部位附近的连接元器件。若加装此阻抗件，便可逐步释出电荷并消除高压。根据IEC61000的ESD测试标准，每次放电需在10秒钟内完成2KV电压的释放，故一般建议选用1~2MΩ的电阻。若外壳带有高压静电，此高阻抗元件也能有效降低电流，从而避免电路芯片受损。

3.需要注意的问题

1）如果设备外壳良好接大地，PCB应该也与外壳良好的单点接地，这个时候工频干扰会通过外壳接地消除，对PCB也不会产生干扰；

2）如果设备使用的场合可能存在安全问题时，必须将设备外壳良好接地；

3）为了取得更好效果，建议是设备外壳尽量良好接地，PCB与外壳单点良好接地；如果外壳没有良好接地，那还不如把PCB浮地，即不与外壳连接，因为PCB与大地如果是隔离的（所谓浮地），工频干扰回路阻抗极大，反而不会对PCB产生什么干扰；

4）在多个设备需互相连接时，应当尽量确保每个设备外壳均与大地在单点进行良好接地，同时每个设备内部PCB也应与其壳体在单点进行接地；若在多个设备彼此连接时，设备外壳无法实现良好接地，那么将其转为浮地状态，内部PCB无需与外壳接地反而更为适宜；

5）机壳地可能并非理想的接地选择，例如在配电网中未遵守相关安全规定，无地线存在；或者是接地棒周围土壤过于干燥，接地螺栓出现锈蚀或松动的情况。

6）环境是存在电磁干扰的，工作环境中有大功率变压器、大功率电机、电磁电炉、高压电网谐波等。

7）PCB内部是会产生高频噪声的，如高频开关管、二极管、储能电感、高频变压器等。这些干扰因素都会导致PCB的信号地和机壳的电势波动（同时含有高频低频成分），或者二者之间存在静电，所以对它们良好可靠的接地处理是必要的，也是产品安规要求的。

三、模拟地层和数字地层到底怎么连接？半导体大厂这样建议

Q：模拟地层和数字地层不在同一个接地层，用一个模拟接地层和数字接地层，这2个接地层要不要连在一起啊？要连的话怎么连起来？

A：双面板都是放在同一层，另一层是铺地（TOP BOTT VCC GND），如果是4层板可以放到内层（即GND层），也要看实际情况。如果是在同一层的话，可以用0R电阻，或是磁珠来链接，这样不仅保证单点链接，而且还起到保险丝的作用，不在同一层的话，可以采用过孔链接。

Q：那这个过孔有什么讲究啊？例如大小，怎么打等？

A：针对数码产品，过孔直径没有特别要求，模拟地和数字地也要看电流大小，如果电流大过孔要多打几个，如果只是信号就不要打太多，打6个孔就可以，有时候2个也可以，孔径为0.3mm。过孔看走线，尽量排一字型就可以。

A：一般双面板的地线焊盘全部使用过孔，最后在顶层覆铜处理。

A：最好是在滤波的电容下分开连接。

A：层叠设置top gnd in1 in2 gnd bottom；信号线夹在2层gnd之间肯定好很多的；gnd层连接，板子空余地方打通孔方式。

A：数码产品数字地线和模拟地有多种接法：1）数字地和模拟地有用磁珠来隔离，防止信号干扰；2）数字地和模拟地有用0欧电阻来隔离，防止信号干扰；3）数字地和模拟地有用铺铜方式隔离（此铺铜是手工铺铜，不是自动铺铜，且手工铺铜不能铺太大，太大了会有干扰），防止信号干扰；4）数字地和模拟地有用过孔来隔离，防止信号干扰。以上数字地和模拟地要看实际情况来处理，有的电路加磁珠效果不一定最好，加个电阻效果可能会更好。

A：为了减小地线的干扰，建议模拟地和数字地进行单点接地。如果是多层板，通过过孔，过孔尽量控制低阻抗。

A：如果设计两层板，可以将模拟地和数字地的区域进行区分，分别覆铜，然后再用磁珠单点连接。设计多层板，可以将模拟地和数字地部分做到两层，然后在打几个过孔或者焊盘连接。

A：模拟地和数字地要严格的区分开，两者的交界处是两个各自的滤波电容，通过0欧姆电阻或者小电感进行链接。

A：模拟地层和数字地层到底怎么连接？

1）两个同样的地层中间的信号是PCB中最理想屏蔽状态，会起到最好的屏蔽作用；

2）同一个地直接过孔连接就行，不同的地也是靠过孔连接，连接各自的地，单点接地一般是对模拟电路部分的要求，就是要求一个功能区域的模拟电路，其地从单一通道接入系统地；

3）单独放置一层铜（没有任何电气连接）不能对上下之间起到屏蔽和隔离的作用，两层之间的干扰是通过分布电容耦合所致，中间放层无电气属性的铜皮，相当于在一个平板电容器中间的介质中插入一块没有任何连接的金属板，只是相当于改变了电容两极板间的距离，相当于改变了电容值的大小（如果两极板间距离不变，介质中插入一定厚度的金属，两极板间距离相当于缩短了金属厚度的距离，等效电容增加）。

但就PCB板来说，其结构的特殊性是如果上下两层间不加无电气属性铜皮，那么应该是紧挨的两层，加入后两层间的距离加大，虽然同时加入的铜皮厚度缩短了两层间距离，但铜皮相比填充的介质材料一般还是较薄，所以上下两层板等效距离是加大的，相当于减小了分布电容，其耦合干扰也相应减小；但对这个效果有正贡献的是多加那一层的介质，铜皮反而是负贡献。

A：在单面板和双面板中没有地平面层，所以为减少数字和模拟之间干扰要采取单一节点连接，避免多节点。在4层以上的板，都有地平面，保持地信号的完整和信号回路最短是关键。在高速数字电路中，信号是选择最近的下面平面作为回路的。

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