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电路板的地直接与外壳地通过并联电阻/电容相连接分析-ESD/EMC

电子产品接地是一个常见的话题。本文的一小部分是金属外壳和电路板的接地。我们经常看到一些系统设计PCB板的地(GND)与金属外壳(EGND)一个通常用在两者之间高压电容C1(1~100nF/2KV)并联大电阻R1(1M)连接。那为什么要这样设计呢?

在这里插入图片描述 图 1 原理图示意

图 2 实际 PCB

一、电容的作用

从EMS从电磁抗扰度的角度来看,这个电容是假设的PE在与地面连接良好的前提下,减少高频干扰模型对地面电平的影响,以抑制电路与干扰源之间的瞬态共模压差。其实GND直连PE这是最好的,但直接连接可能不可操作或不安全,例如,220V交流电过整流桥后产生的GND不能连接PE是的,所以让低频过不去,高频过不去。从EMI从电磁干扰的角度来看,如果有和PE相连的金属外壳,有这个高频路径,也能够避免高频信号辐射出来。 电容器通过交流阻直流。假设外壳与地面连接良好,电容器可以抑制高频干扰源和电路之间的动态共模电压;从EMI从角度看,电容形成高频路径,电路板内部产生的高频干扰会通过电容流入外壳进入大地,避免高频干扰形成的天线辐射。另一一种情况下,假设外壳没有可靠的接地(如果没有接地线,接地棒环境干燥),外壳电位可能不稳定或静电。如果电路板直接连接到外壳,电路板芯片将被破坏,并添加电容器,以隔离低频、高压和静电,以保护电路板。并联电容应采用Y电容或高压膜电容,容值在1nF~100nF之间。

二、电阻的作用

可以预防此电阻ESD(静电释放)损坏电路板。假如只用电容连接电路板地和机壳地,那么电路板就是浮地系统。做ESD在测试过程中,或在复杂的电场环境中使用,进入电路板的电荷无处释放,会逐渐积累;在一定程度上,如果超过电路板和外壳之间绝缘最弱部位所能承受的电压,就会发生放电——在几纳秒钟内,PCB数十到数百A的电流会导致电路因电磁脉冲而停机,或损坏连接到放电处的部件。并联电阻,可缓慢释放电荷,消除高压。根据IEC61000的ESD测试标准10s/次(10s放完2kV高压电荷),一般选择1M~2M的电阻。若外壳有高压静电,则大电阻也能有效降低电流,不会损坏电路芯片。

三、需要注意的问题

1.如果设备外壳与地面连接良好,则PCB也应与外壳良好的单点接地。此时,工频干扰将通过外壳接地消除PCB无干扰; 2.如果使用设备时可能存在安全问题,必须将设备外壳接地良好; 3.为了取得更好的效果,建议设备外壳尽可能接地,PCB与外壳单点接地良好;当然,如果外壳接地不好,最好把它放好PCB浮地,即不与外壳连接,因为PCB如果与大地隔离(所谓浮地),工频干扰电路阻抗很大,但不会PCB干扰是什么; 4.当多个设备需要相互连接时,尽量每个设备外壳在单点与地球接地良好,每个设备内部PCB单点接地各自的外壳; 5.但如果多个设备相互连接,设备外壳接地不好,最好是浮地和内部PCB不与外壳接地; 6、外壳接地可能不可靠,如配电网不符合安全规定,无接地线;接地棒周围的土壤过于干燥,接地螺栓生锈或松动。 7.环境中有电磁干扰,包括大功率变压器、大功率电机、电磁电炉、高压电网谐波等。 8、PCB会产生高频噪声,如高频开关管、二极管、储能电感、高频变压器等。 这些干扰因素会导致PCB信号和外壳的电位波动(含有高频和低频成分)或静电,因此有必要进行良好可靠的接地处理,这也是产品安全规则的要求。 最后,我期待着朋友们对本文中提到的问题留言,发表自己独特的看法。

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