揭秘電子設(shè)計(jì)中的巧妙接地：為什么PCB地與金屬機(jī)殼用阻容連接？

電子產(chǎn)品接地問題是一個(gè)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(huì)看到一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將PCB板的地（GND）與金屬外殼（EGND）之間通常使用一個(gè)高壓電容C1（1~100nF/2KV）并聯(lián)一個(gè)大電阻R1（1M）連接。那么為什么這么設(shè)計(jì)呢？

圖1：原理圖示意

圖2：實(shí)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(chǔ)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(dá)到抑制電路與干擾源之間瞬間共模電壓差的目的。

事實(shí)上，將GND直接連接到PE最為理想，但由于直連可能會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shè)機(jī)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(dòng)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(huì)經(jīng)電容流入機(jī)殼進(jìn)入大地，避免了高頻干擾形成的天線輻射。

另一種情況，假設(shè)機(jī)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(huì)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(hù)電路板。這個(gè)并聯(lián)電容應(yīng)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(gè)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(gòu)成一個(gè)浮地體系。在進(jìn)行ESD測試時(shí)，或者在復(fù)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(jìn)而會(huì)積累；當(dāng)積累到一定程度，超出電路板及外殼間絕緣最薄弱點(diǎn)能夠承受的電壓值，便會(huì)引發(fā)放電現(xiàn)象 —— 在極短時(shí)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(dǎo)致電路由于電磁脈沖而停止運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備外殼良好接大地，那PCB應(yīng)該也與外殼良好的單點(diǎn)接地，這個(gè)時(shí)候工頻干擾會(huì)通過外殼接地消除，對PCB也不會(huì)產(chǎn)生干擾；

· 如果設(shè)備使用的場合可能存在安全問題時(shí)，那必須將設(shè)備外殼良好接地；

· 為了取得更好效果，建議是設(shè)備外殼盡量良好接地，PCB與外殼單點(diǎn)良好接地；當(dāng)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?yàn)镻CB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(huì)對PCB產(chǎn)生什么干擾；

· 在多個(gè)設(shè)備需互相連接時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量確保每個(gè)設(shè)備外殼均與大地在單點(diǎn)進(jìn)行良好接地，同時(shí)每個(gè)設(shè)備內(nèi)部PCB也應(yīng)與其殼體在單點(diǎn)進(jìn)行接地；

· 然而，若在多個(gè)設(shè)備彼此連接時(shí)，設(shè)備外殼無法實(shí)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(jī)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(guān)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(dòng)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(jī)、電磁電爐、高壓電網(wǎng)諧波等；

· PCB內(nèi)部是會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲的，如高頻開關(guān)管、二極管、儲(chǔ)能電感、高頻變壓器等。這些干擾因素都會(huì)導(dǎo)致PCB的信號地和機(jī)殼的電勢波動(dòng)（同時(shí)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。