从物理上讲,将 PCB 连接到机箱接地如何降低噪音?

电器工程 噪音 地面
2022-02-01 00:21:25

我意识到这似乎是重复的机箱接地应该连接到数字接地吗?但是除了我理解的明显的安全问题之外,该线程中的答案并没有解释为什么应该将机箱连接到 PCB 接地。

我的逻辑是这样的:如果我有一个带有敏感模拟电路的 PCB,我应该把它放在一个金属机箱中,并让它与我的 PCB 绝缘。机箱充当法拉第笼,它可以防止我的 PCB 受到外部 EM 噪声的影响,也可以防止噪声从我的(比如说)RF PCB 发出。如果安全不是问题,我认为没有理由将两者联系起来。draeth 在上述链接中的回答似乎同意这一点。

然而,知识渊博的人的传统观点认为,应该建立通向金属机箱的低阻抗路径,以降低噪声和 EMI。

为什么要这样做?似乎通过将我的地线连接到机箱,他们的电路会暴露在来自外部的噪音中。以及将外部暴露在噪音中!

3个回答

这将是另一个有争议的问题,所以让我解释一下并偶尔引用我认为可信的来源(教科书),EMC and the Printed Circuit Board by Mark Montrose。首先,让我们介绍一下常用的术语:

  • 安全接地 = 通过低阻抗路径连接到大地的接地
  • 信号电压(参考)接地,例如 PCB 上的接地层

现在是一个可能令人震惊的引述(第 249 页):

两种接地方法的连接可能不适合特定应用,并可能加剧 EMC 问题。[...] 关于接地存在常见的误解。大多数分析师认为,接地是电流返回路径,良好的接地可以降低电路噪声。这种信念使许多人假设我们可以将嘈杂的射频电流灌入大地,通常是通过建筑物的主要接地结构。如果我们讨论的是安全接地,而不是信号电压参考,这将是有效的。尽管射频返回路径是强制性的,但它不必处于地电位。自由空间不处于接地电位

(强调我的)。

因此,确定了这一点(如果需要说的话),如何将 PCB(或在多板设备的情况下,多个 PCB)接地连接到金属外壳/机箱,即使后者没有连接到大地/安全地?(例如,您可以将法拉第笼装在塑料外壳中。)

首先,我们需要清除一些其他问题:如果您有一个多板系统,单点接地(又名“圣地”,不开玩笑)适用于信号/组件的速度为1 Mhz 或更低的情况,通常在音频电路、主电源系统等。对于更高的工作频率,例如计算机,使用多点接地。对于混合频率,两者都结合在混合接地技术中,如下所示(Montrose 书中的图):

在此处输入图像描述

这就是为什么您需要高频系统的多点接地,这在 Montrose 的书中(第 274 页)在带有子板的系统(例如典型的台式计算机)的背景下进行了解释:

PCB [...] 产生的射频场将耦合到金属结构。因此,RF 涡流将在结构中发展,并将在单元内循环,从而产生场分布。这种场分布可能会耦合到其他电路 [...] 这些 [涡流] 电流通过分布式传输阻抗耦合到卡笼,然后通过尝试通过耦合回背板来闭合环路。如果背板和插件架之间的共模参考阻抗没有明显低于(涡流的)分布“驱动源”,那么背板和插件架之间就会产生射频电压。[...] 简单地说,背板和插件架之间的共模频谱电位必须短路。

如果您想知道为什么您的台式计算机主板通过将其固定到(金属)外壳的所有螺钉进行电气连接,这就是它们存在的原因。

注意:Joffe 和 Lock 的Grounds for Grounding在他们题为“将 PCB 返回平面缝合到机箱的目的”一节中给出了几乎相同的解释,所以我认为专家们同意这一点。

更具体地说,传统观点是与机箱接地只有一个低阻抗连接。通常它非常靠近电压调节器。

重要的是只有一个连接。如果外壳是金属的并且是全封闭的,那么就会有噪声电流在外壳上方和周围流动,因此就像法拉第笼一样。但是,只要您只连接一个地方,机箱周围的任何电流都无法流过您的电路。他们不能,因为没有路径。

但是,如果您有两个连接,那么如果这两个点之间有任何电压(考虑到所有噪声,这很可能),那么噪声电流就会流过您的电路。

那么,为什么不是零连接呢?好吧,考虑一下。你将如何得到任何电线?我想如果它由电池供电并且没有输入或输出,那么您可以将整个东西放在法拉第笼中,这样可以很好地工作。当然,这对于大多数电路来说是不可行的,因为它们至少有一些外部连接,其中一些以地为参考,所以你需要在某个地方连接它们。

为什么不让这些外部连接通过隔离连接器穿过外壳上的孔,这样它们就不会电连接到外壳?那么,这些电缆上的任何共模噪声都会直接穿过孔并进入外壳内部。你还不如根本没有案例。

理想情况下,任何输入或输出电缆的屏蔽层都连接到金属底盘。如果您从拓扑上考虑这一点,则外壳就像电缆屏蔽层的较厚部分,您的电路位于电缆内部。

你应该问问自己盒子外面还有什么东西连接到pcb上。如果将电缆连接到 pcb,则会通过电缆将噪声传入 pcb,从而严重破坏屏蔽层。现在,它是否有助于添加从信号地到机箱的低阻抗路径以摆脱通过电缆线进入的混乱,这真的取决于具体情况。如果您通过电容器和电缆屏蔽层的 360 度耦合直接在噪声进入机箱的位置消除噪声,那么您仍然是对的。大多数情况下,这不是很实用,建议让您的信号地成为机箱噪声路径的一部分。