電氣接地1在原理圖上看起來很簡單;不幸的是，電路的實(shí)際性能取決于其印刷電路板（PCB）布局。此外，接地節(jié)點(diǎn)分析非常困難，特別是對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換器，例如降壓和升壓電路，它們用快速變化的大電流沖擊接地節(jié)點(diǎn)。當(dāng)接地節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)受到影響，并且系統(tǒng)會(huì)輻射EMI。但是，對(duì)接地噪聲物理學(xué)的“扎實(shí)”理解可以為減少問題提供直觀的感覺。

接地反彈會(huì)產(chǎn)生幅度為伏特的瞬變;最常見的是磁通量變化是原因。導(dǎo)線承載電流的環(huán)路本質(zhì)上是一種電磁鐵，其場強(qiáng)與電流成正比。磁通量與通過環(huán)路區(qū)域的磁場成正比，

磁通量∝磁場×環(huán)路面積

或者更準(zhǔn)確地說，

ΦB = BA cosφ

其中磁通量，ΦB，是磁場 B，以與該區(qū)域的單位矢量φ的角度穿過表面環(huán)路區(qū)域 A。

看一下圖1，可以理解與電流相關(guān)的磁通量。電壓源推動(dòng)電流通過電阻器并圍繞導(dǎo)線環(huán)路。該電流與環(huán)繞導(dǎo)線的磁通量有關(guān)。要關(guān)聯(lián)不同的數(shù)量，請(qǐng)考慮用右手抓住電線（應(yīng)用右手規(guī)則）。如果你把拇指指向電流的方向，你的手指將沿著磁力線的方向纏繞導(dǎo)線。當(dāng)這些場線通過環(huán)路時(shí)，它們的乘積是磁通量，在這種情況下定向到頁面中。

圖1.右手法則。

改變磁場強(qiáng)度或環(huán)路面積，磁通量就會(huì)改變。隨著磁通的變化，導(dǎo)線中感應(yīng)出電壓，與磁通量的變化率成正比，dΦB/DT.請(qǐng)注意，固定環(huán)路和變化電流或恒定電流和變化環(huán)路區(qū)域（或兩者兼而有之）都會(huì)改變磁通量。

例如，假設(shè)圖 2 中的開關(guān)突然打開。當(dāng)電流停止流動(dòng)時(shí)，磁通量崩潰，從而在導(dǎo)線上的各處感應(yīng)出瞬時(shí)較大的電壓。如果電線的一部分是接地回路引線，則應(yīng)該在地上的電壓將尖峰，從而在將其用作接地參考的任何電路中產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

圖2.打開開關(guān)的效果。

通常，印刷電路板片電阻中的壓降不是接地反彈的主要來源。1盎司銅的電阻率約為500μohm/平方，因此電流的1A變化會(huì)產(chǎn)生500μV/平方的反彈 - 這僅適用于薄、長或菊花鏈接地或精密電子產(chǎn)品。

寄生電容器的充電和放電為大瞬態(tài)電流返回地提供了一條路徑。這些變化電流引起的磁通量變化會(huì)引起地面反彈。

減少開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器接地反彈的最佳方法是控制磁通量的變化，方法是最小化電流環(huán)路面積和環(huán)路面積變化。

在某些情況下，如圖3所示，電流保持不變，但開關(guān)會(huì)產(chǎn)生環(huán)路面積的變化，從而改變磁通量。在開關(guān)情況1中，理想電壓源通過理想導(dǎo)線連接到理想電流源。電流在包含接地回路的環(huán)路中流動(dòng)。

在情況2中，當(dāng)開關(guān)改變位置時(shí)，相同的電流在不同的路徑中流動(dòng)。電流源是直流的，不會(huì)改變，但環(huán)路面積會(huì)發(fā)生變化。環(huán)路面積的變化意味著磁通量的變化，因此會(huì)產(chǎn)生電壓。由于接地回路是該變化環(huán)路的一部分，因此其電壓將反彈。

圖3.

降壓轉(zhuǎn)換器接地反彈

出于討論的目的，圖3中的簡單電路類似于圖4中的降壓轉(zhuǎn)換器，并且可以變形為降壓轉(zhuǎn)換器。

圖4.到高頻開關(guān)，一個(gè)巨大的C文和 L麚看起來像電壓和電流源。

在高頻下，大電容（如降壓輸入電容）是C文—看起來像直流電壓源。同樣，大輸出降壓電感，L麚，看起來像直流電流源。這些近似值是為了幫助培養(yǎng)直覺。

圖5顯示了當(dāng)開關(guān)在位置之間交替時(shí)磁通量如何變化。

圖5.打開環(huán)路區(qū)域的影響。

大L麚電感器保持輸出電流大致恒定。同樣，C文保持大約等于V的電壓在，因此由于輸入引線電感兩端的電壓不變，輸入電流也或多或少是恒定的。

雖然輸入和輸出電流大致恒定，但當(dāng)開關(guān)從位置1移動(dòng)到位置2時(shí)，電路中間部分的總環(huán)路面積會(huì)迅速變化。這種變化意味著磁通量的快速變化，進(jìn)而引起沿返回線的地面反彈。

實(shí)際降壓轉(zhuǎn)換器由成對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)組成，如圖6所示。盡管每個(gè)圖的復(fù)雜性都在增加，但由變化磁通量引起的地面反彈的分析仍然簡單直觀。

圖6.半導(dǎo)體開關(guān)的基本原理保持不變。

磁通量的變化會(huì)在接地回路上到處感應(yīng)電壓，這一事實(shí)提出了一個(gè)有趣的問題：真正的接地在哪里？由于接地反彈意味著接地返回走線上的電壓相對(duì)于某個(gè)稱為接地的理想點(diǎn)反彈，因此需要識(shí)別該點(diǎn)。

在功率調(diào)節(jié)電路的情況下，真正的接地需要處于負(fù)載的低端。畢竟，DC-DC轉(zhuǎn)換器的目的是為負(fù)載提供高質(zhì)量的電壓和電流。沿當(dāng)前回波的所有其他點(diǎn)都不接地，只是接地回波的一部分。

由于接地位于負(fù)載的低端，并且由于改變環(huán)路面積是接地反彈的原因，因此圖7顯示了C的小心放置文通過減少環(huán)路區(qū)域的變化部分來減少地面反彈。

圖7.小心放置 C文大大減少地面反彈。

電容器 C文將高端開關(guān)的頂部直接旁路到低邊開關(guān)的底部，從而縮小變化環(huán)路區(qū)域并將其與接地回路隔離。從V的底部在在負(fù)載底部，環(huán)路面積或開關(guān)電流不會(huì)從一種情況到另一種情況發(fā)生變化。因此，地面回波不會(huì)反彈。

圖8.不良布局會(huì)導(dǎo)致電流環(huán)路面積從一個(gè)開關(guān)外殼到下一個(gè)開關(guān)外殼發(fā)生較大變化。

PCB布局本身實(shí)際上決定了電路的性能.圖8是圖6中降壓電路原理圖的PCB布局。在案例 1 所示的開關(guān)位置，當(dāng)高端開關(guān)接通時(shí)，直流流沿著外部紅色回路。在案例 2 所示的開關(guān)位置，低側(cè)開關(guān)打開時(shí)，直流流現(xiàn)在跟隨藍(lán)色回路。注意變化的環(huán)路區(qū)域，因此，變化的磁通量。因此，電壓被感應(yīng)并且接地反彈。

為了清晰起見，布局在單個(gè)PCB層上實(shí)現(xiàn)，但使用第二層實(shí)心接地層不會(huì)修復(fù)反彈。在展示改進(jìn)的布局之前，圖9給出了一個(gè)快速示例，說明堅(jiān)實(shí)的接地層可能不是一個(gè)好主意。

圖9.堅(jiān)實(shí)的接地層并不總是一個(gè)好主意。

這里，構(gòu)建了一個(gè) 2 層 PCB，以便將旁路電容器以直角連接到頂層電源線。在左側(cè)的示例中，接地平面是實(shí)心且未切割的。頂部走線電流流過電容器，沿著過孔流出接地層。

由于交流電始終采用阻抗最小的路徑，接地返回電流在返回電源的途中繞彎。因此，當(dāng)電流的大小或頻率發(fā)生變化時(shí)，電流的磁場和相關(guān)環(huán)路面積會(huì)發(fā)生變化，因此通量也會(huì)發(fā)生變化。電流沿著最簡單路徑流動(dòng)的趨勢意味著即使是固體片接地層也會(huì)反彈 - 無論其導(dǎo)電性如何。

在右邊的示例中，精心規(guī)劃的接地層切口會(huì)將返回電流限制在最小的環(huán)路區(qū)域，并大大減少反彈。在切割返回線中產(chǎn)生的任何殘余反彈電壓都與一般接地層隔離。

圖10中的PCB布局使用圖9所示的原理來減少接地反彈。設(shè)計(jì)了 2 層 PCB，使得輸入電容器和兩個(gè)開關(guān)都構(gòu)建在接地層的孤島上。

這種布局不一定是最好的，但它運(yùn)行良好并說明了一個(gè)關(guān)鍵原則。請(qǐng)注意，由紅色（情況 1）和藍(lán)色（情況 2）電流包圍的環(huán)路區(qū)域很大。但是，兩個(gè)循環(huán)之間的差異很小。環(huán)路面積的微小變化意味著磁通量的微小變化，因此，地面反彈很小。（但是，通常也要保持較小的環(huán)路面積 - 此圖旨在說明匹配交流電流路徑的重要性。

此外，在磁場和環(huán)路面積發(fā)生變化的接地回波島中，任何接地回波反彈都包含在切口中。

同樣值得關(guān)注的是，輸入電容，C文，乍一看似乎并不位于高邊開關(guān)的頂部和低邊開關(guān)的底部之間，如圖7所示，但仔細(xì)研究會(huì)發(fā)現(xiàn)它是。雖然物理接近可能很好，但真正重要的是通過最小化環(huán)路面積來實(shí)現(xiàn)的電氣接近度。

圖 10.良好的降壓布局在情況 1 和案例 2 之間的環(huán)路面積變化很小。

升壓轉(zhuǎn)換器接地反彈

升壓轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上是降壓轉(zhuǎn)換器的反映，因此如圖11所示，輸出電容必須放置在高端開關(guān)的頂部和低邊開關(guān)的底部之間，以最小化環(huán)路面積的變化。

圖 11.升壓轉(zhuǎn)換器意味著CVOUT放置至關(guān)重要，與降壓轉(zhuǎn)換器的C文放置至關(guān)重要。a） 糟糕的設(shè)計(jì)。b） 好的設(shè)計(jì)。

回顧

接地反彈電壓主要由磁通量的變化引起。在DC-DC開關(guān)電源中，由于高速在不同電流環(huán)路區(qū)域之間切換直流電，因此磁通量會(huì)發(fā)生變化。但是，小心放置降壓/升壓輸入/輸出電容和手術(shù)切入接地層可以隔離反彈。但是，在切斷接地層時(shí)要小心，以避免可能增加電路中其他返回電流的環(huán)路面積。

此外，良好的布局位于負(fù)載底部的真實(shí)接地，沒有變化的環(huán)路區(qū)域或變化的電流。任何其他導(dǎo)電相關(guān)的點(diǎn)都可以稱為“接地”，但它只是返回路徑上的一個(gè)點(diǎn)。

地面分析的其他有用概念

如果您牢記以下基本思想，您將對(duì)什么會(huì)導(dǎo)致地面反彈和不會(huì)導(dǎo)致地面反彈有很好的感覺。圖12顯示，以直角交叉的導(dǎo)體不會(huì)發(fā)生磁相互作用。

圖 12.以直角交叉的導(dǎo)體不會(huì)發(fā)生磁性相互作用。

平行導(dǎo)線周圍的磁力線攜帶沿同一方向流動(dòng)的相同電流，在導(dǎo)線之間的任何地方都抵消，因此總存儲(chǔ)的能量小于單個(gè)導(dǎo)線的總存儲(chǔ)能量。因此，寬PCB走線的電感比窄走線小。

圖 13.電流沿同一方向流動(dòng)的平行導(dǎo)線。

平行導(dǎo)體周圍的磁力線攜帶沿相反方向流動(dòng)的相等電流，在導(dǎo)體外的任何地方抵消，并在它們之間的任何地方增加。如果內(nèi)環(huán)面積可以做得小，那么總磁通量，因此電感也會(huì)變小。這種行為解釋了為什么交流接地層返回電流總是在頂部走線導(dǎo)體下方流動(dòng)。

圖 14.電流向相反方向流動(dòng)的平行導(dǎo)體。

圖15顯示了拐角增加電感的原因。直導(dǎo)體看到自己的磁場，但在拐角處，它也看到來自直角導(dǎo)體的磁場。因此，拐角存儲(chǔ)更多的磁能，因此比直線具有更多的電感。

圖 15.為什么拐角會(huì)增加電感。

圖16顯示，導(dǎo)體承載電流的接地層中斷可以通過轉(zhuǎn)移返回電流來增加環(huán)路面積，從而增加環(huán)路尺寸并促進(jìn)接地反彈。

圖 16.返回電流采用阻抗最小的路徑。

組件方向確實(shí)很重要，如圖 17 所示。

圖 17.組件方向的影響。

總結(jié)

地面反彈始終是一個(gè)潛在的問題。對(duì)于顯示器或電視，它可能意味著嘈雜的圖像 - 對(duì)于音頻設(shè)備，背景噪音。在數(shù)字系統(tǒng)中，它可能導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

仔細(xì)估計(jì)寄生元素，然后進(jìn)行詳細(xì)模擬是預(yù)測地面反彈幅度的嚴(yán)格方法。但為了引導(dǎo)電路設(shè)計(jì)的直覺，有必要了解其起源背后的物理學(xué)。

首先，設(shè)計(jì)PCB時(shí)，使負(fù)載的低端是真正的接地點(diǎn)。

然后，通過用電流和電壓源替換大型電感器和電容器來簡化電路動(dòng)態(tài)。查找每個(gè)開關(guān)組合中的電流環(huán)路。使循環(huán)重疊;如果無法做到這一點(diǎn)，請(qǐng)小心地切出一小塊地面回流島，以便只有直流流入和流出開口。

在大多數(shù)情況下，這些努力將提供可接受的地面性能。如果沒有，則考慮接地層電阻，然后以寄生電容的形式流過所有開關(guān)并向入返回路徑的位移電流。

無論采用何種電路，基本接地原理都是相同的——需要最小化和/或隔離變化的磁通量。

審核編輯：郭婷