外壳是否接地,从理想电路环境(没有干扰,也不释放干扰)和电路原理来说,接和不接没有任何差异,也不会影响正常功能。
但是实际的电子产品的工作环境,是一个处于被各种干扰包围的复杂的电磁场环境,既有EMI辐射干扰,也有ESD静电干扰。另外一方面,电子产品本身会聚集静电电荷和向外产生EMI的辐射,自身也是一个干扰源。
所以我们在处理外壳和接口(比如usb插座等)与内部电路连接的时候,考虑的出发点就是基于以上的考虑来设计,其作用就是两个:提高抗扰能力和减少释放对外的干扰信号。
从而提高自身的稳定性。
以usb插座设计为例,我们一般采用如下电路方式连接:
一、电容的作用
- 我们知道,静电的电荷集聚在物体的表面,一旦遇到可以释放的回路就可以形成电流。有时候产生的电压非常高,特别是在干燥的环境里。电子产品的外壳地就是用来快速地将电荷释放到大地。所以外壳地不应当与信号地直接连接,否则静电产生的电流就会进入产品内部,并耦合到电路上各种IC的引脚上,很多时候会造成系统死机,严重的会打坏IC。
这就是很多时候设备做ESD测试无法通过的成因 - 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。
- -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
- 其实GND直连PE是最好的,但是,直连可能不可操作或者不安全,例如,220V交流电过整流桥之后产生的GND是不可以连接PE的,所以就弄个低频过不去,高频能过去的路径。从EMI角度说,如果有与PE相连的金属外壳,有这个高频路径,也能够避免高频信号辐射出来
- 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
二、电阻的作用 - 这个电阻可以防止ESD(静电释放)对电路板的损坏。假如只用电容连接电路板地和机壳地,则电路板是一个浮地系统。做ESD测试时,或在复杂电场环境中使用,打(进)入电路板的电荷无处释放,会逐渐累积;累积到一定程度,超过了电路板和机壳之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压,就会发生放电——在几纳秒内,PCB上产生数十到数百A的电流,会让电路因电磁脉冲宕机,或者损坏放电处附近连接的元器件。并联该电阻,就可以慢慢释放掉这个电荷,消除高压。根据IEC61000的ESD测试标准10s/次(10s放完2kV高压电荷),一般选择1M~2M的电阻。如果机壳有高压静电,则该大电阻也能有效降低电流,不会损坏电路芯片。
- 如果没有这个电阻,电路板内有静电的时候,与大地连接的0.1uF的电容是隔断了与外壳大地的连接,也就是悬空的。这些电荷积累到一定程度,就会出问题,必须要与大地连接才行,所以这里的电阻用于放电。
- 1M的电阻这么大,如果外面有静电,高压之类的,也能有效降低电流,不会对电路内的芯片造成损坏。
三、需要注意的问题点
这些注意点,讲的是一个大的原则和原理性的问题,不可生搬硬套,需要根据实际设备的情况进行取舍和选择合适的方案。要记住,没有一个方案是可以通用于任何设备的,不同的设备和环境,要不同的对待,灵活应用。
- 如果板子不大,上面地线面积沒有很大,可能外壳还是不要接上板子的地,免得ESD一打就挂,要考虑使用RC电路更好。
- 悬空是在没有办法的情况下处理的,那是硬抗ESD,一般都是接机壳地,机壳地不能跟信号地相连,ESD测试时由机壳地泄放掉干扰,保证不受外部影响
- 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
- 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
- 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;
- 多个设备之间需要互相连接的时候,尽量是每个设备外壳都与大地在单点良好接地,每个设备内部PCB与各自外壳单点接地
- pcb周围最好以一圈的外壳连接铺铜,且跟连接端子相同。
- 机壳地可能并不是可靠的接地,如配电网中不符合安规,没有地线;接地棒周围土壤太干燥,接地螺栓生锈或松动。
- 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。
- 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。