電氣接地1在原理圖上看起來很簡單;不幸的是，電路的實際性能取決于其印刷電路板（PCB）布局。此外，接地節(jié)點分析非常困難，特別是對于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。當(dāng)接地節(jié)點移動時，系統(tǒng)性能會受到影響，并且系統(tǒng)會輻射EMI。但是，對接地噪聲物理學(xué)的“扎實”理解可以為減少問題提供直觀的感覺。

接地反彈會產(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，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。

改變磁場強度或環(huán)路面積，磁通量就會改變。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)電流停止流動時，磁通量崩潰，從而在導(dǎo)線上的各處感應(yīng)出瞬時較大的電壓。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)生錯誤信號。

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。

在情況2中，當(dāng)開關(guān)改變位置時，相同的電流在不同的路徑中流動。電流源是直流的，不會改變，但環(huán)路面積會發(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移動到位置2時，電路中間部分的總環(huán)路面積會迅速變化。這種變化意味著磁通量的快速變化，進而引起沿返回線的地面反彈。

實際降壓轉(zhuǎn)換器由成對半導(dǎo)體開關(guān)組成，如圖6所示。盡管每個圖的復(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。

磁通量的變化會在接地回路上到處感應(yīng)電壓，這一事實提出了一個有趣的問題：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于某個稱為接地的理想點反彈，因此需要識別該點。

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)電流不會從一種情況到另一種情況發(fā)生變化。因此，地面回波不會反彈。

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

PCB布局本身實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，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，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PCB層上實現(xiàn)，但使用第二層實心接地層不會修復(fù)反彈。在展示改進的布局之前，圖9給出了一個快速示例，說明堅實的接地層可能不是一個好主意。

圖9.堅實的接地層并不總是一個好主意。

這里，構(gòu)建了一個 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，電流的磁場和相關(guān)環(huán)路面積會發(fā)生變化，因此通量也會發(fā)生變化。電流沿著最簡單路徑流動的趨勢意味著即使是固體片接地層也會反彈 - 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)計了 2 層 PCB，使得輸入電容器和兩個開關(guān)都構(gòu)建在接地層的孤島上。

這種布局不一定是最好的，但它運行良好并說明了一個關(guān)鍵原則。請注意，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。b） 好的設(shè)計。

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)的點都可以稱為“接地”，但它只是返回路徑上的一個點。

地面分析的其他有用概念

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

圖 12.以直角交叉的導(dǎo)體不會發(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的相同電流，在導(dǎo)線之間的任何地方都抵消，因此總存儲的能量小于單個導(dǎo)線的總存儲能量。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。

圖 14.電流向相反方向流動的平行導(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潛在的問題。對于顯示器或電視，它可能意味著嘈雜的圖像 - 對于音頻設(shè)備，背景噪音。在數(shù)字系統(tǒng)中，它可能導(dǎo)致計算錯誤，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

仔細(xì)估計寄生元素，然后進行詳細(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)計的直覺，有必要了解其起源背后的物理學(xué)。

首先，設(shè)計PCB時，使負(fù)載的低端是真正的接地點。

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態(tài)。查找每個開關(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，請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