电源系统设计中不连续接地与连续接地有何影响

在PCB设计和大型电源系统设计中，接地经常在电路设计中被忽略。对于具有单个电源层的4层PCB，接地非常简单，您将需要更多地考虑布局策略，以抑制噪声耦合并降低EMI敏感性。在具有多个接地点的更复杂的系统中，您的接地策略可能不是那么简单，从而在电力电子设备中产生一些令人讨厌的噪声问题。

电力电子系统可能有意使用不连续接地，但是在系统中实现多个接地点时要小心。由于接地回路简单，接地信号不连续，可能会掩盖许多系统中的低电平信号。检查系统行为时，需要进行一些重要的计算和模拟。特别是，您需要检查接地点之间的泄漏和噪声耦合，包括接地回路的电位。

不连续接地与连续接地

术语“不连续接地”可能意味着几件不同的事情：

多个不直接相互连接的接地点的系统

一个由多个接地层组成的系统，每个接地层都连接到不同的电源返回点

没有在板级或电源级别上连接的具有多种类型接地的系统

将此与典型的接地平面进行对比：只要接地平面是均匀的，并且没有物理上分成多个部分，则可以认为PCB中的接地是连续的。这是在4层板上定义现代PCB接地的标准方法：通常会有两个平面层（电源和接地）和2个信号层（顶部和底部）。这有助于防止在其他系统（例如多板系统和电力电子设备）中可能发生的接地问题。

多板系统

无论是在低频率还是高频率下运行，多板系统的一个主要挑战是保持一致的接地并定义返回路径。通过将电路连接到不同的接地点（例如，网络1到电源接地，网络2到地面或底盘）可能会产生不连续的接地，这可能会产生接地环路或允许其他传导EMI源在两个接地点之间移动不同的板块。这也可能导致您错误地创建回路电感非常大的接地回路，从而容易受到外部辐射EMI的影响。

电力电子和低电平系统

有时会将高压/大电流电力电子设备放置在铜极重的 2层PCB上，以防止温度过高。要检查不同接地点之间的耦合，您需要考虑如何将每个点与DC和AC电流隔离。对于直流电源电子设备，直流接地之间的隔离非常简单。如果将物品安排在PCB上，则FR4上两个接地点之间的DC薄层电阻约为108 Ohms / sq。换句话说，直流薄层电阻足够大，以至于直接在接地点之间（即，跨越基板）之间的任何直流泄漏电流都太低而无法检测到。

带有不连续接地的板上的开关电源不是这种情况。在没有接地层的情况下，接地点之间存在一些杂散电容。接地点之间还存在一些杂散电容，如果没有接地层，则该杂散电容将开始主导接地点之间的阻抗。

您可以使用标准公式粗略计算两点之间的电容，其中包括接地点的尺寸和基板的介电常数（通常为FR4）。该杂散电容会在两点之间引起一些噪声耦合，就像高速/高频板上的电容串扰一样。您可以使用一些基本的电路仿真来量化此噪声水平以及接地点之间初始电位差的任何稳定。

在功率谱的另一端，需要在低频下收集低电平模拟信号的设备通常不在高层计数板上构建。如果存在不连续的接地，除非使用某些滤波和/或锁定放大技术，否则接地环路中循环的噪声和电源噪声通常会掩盖所需的信号。在这些系统中，您还需要检查噪声如何在不同的接地点之间耦合以及大的接地环路是否会掩盖所需的信号。

这是您可以使用基于SPICE的模拟器通过一些简单的分析步骤来检查电源系统中不连续接地的方法。

不连续接地的SPICE仿真

在原理图中定义两个接地点时，可以使用瞬态模拟和扫频来模拟两个接地点之间的电容性泄漏电流。您可以使用两个接地之间的并联RC电路对两个接地点之间的耦合进行建模（请参见下面的示意图）。该电路中的电阻只是直流电阻（非常大的值），而交流电容器的电容很小。一起，这可以创建一个微秒级的RC时间常数。

 

上方绿色框中的电路显示了一种简单的方法，可以在预布局仿真中检查两个最接近的接地点之间的耦合。通过瞬态仿真，您可以检查一个网络上的地平面波动传播到另一网络所需的时间。这也使您可以检查嘈杂的接地点如何将噪声感应回安静的地面（即接地回路），以及两个接地点之间的电位差如何随时间变化。

如果是接地回路，您可以尝试通过简单地在其中一个接地网上放置正电压源和一些噪声来直接模拟电势差。这将定性地模拟两个接地点之间恒定电势差（通常为mV量级）的影响。明智地放置探头将为您提供所需的测量，以查看噪声如何传播回上游组件。在这种类型的仿真中，您可能可以直接看到连续接地层或星形接地对电路的好处。
编辑：hfy