为什么PCB地与金属机壳用阻容连接(高通滤波)?

2024-04-19 17:55:37 admin
PCB,HDI,FPC,IC解密,芯片破解


摘 要




电子产品接地问题是一个老生常谈的话题,本文单讲其中一小部分,主要内容是金属外壳与电路板的接地问题。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。那么为什么这么设计呢?
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图 1 原理图示意
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图 2 实际 PCB

1、电容的作用




从EMS(电磁抗扰度)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(电磁干扰)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,从电磁抗扰度角度,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(静电释放)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2千伏电压的释放,故一般建议选用1兆欧至2兆欧的电阻。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,那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,那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;当然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;

5、然而,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;

6、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。


7、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。
8、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。



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