为什么PCB地与金属机壳用阻容连接？还有更好的解决办法？

btty038

为什么PCB地与金属机壳用阻容连接？还有更好的解决办法？ [复制链接]

 

 

电子产品接地问题是一个老生常谈的话题，本文单讲其中一小部分，主要内容是金属外壳与电路板的接地问题。我们经常会看到一些系统设计中将PCB板的地(GND)与金属外壳(EGND)之间通常使用一个高压电容C1（1~100nF/2KV）并联一个大电阻R1（1M）连接。那么为什么这么设计呢？

 
图 1 原理图示意

 

图 2 实际 PCB
1、电容的作用
从EMS（电磁抗扰度）角度出发，该电容在确保PE与大地连接的基础上，旨在降低可能存在的、以大地电位作为参考的高频干扰信号对电路产生的影响，从而达到抑制电路与干扰源之间瞬间共模电压差的目的。事实上，将GND直接连接到PE最为理想，但由于直连可能会导致操作困难或存在安全隐患，例如，经过整流桥后产生的GND无法直接连接PE，因此便设计了一条既使低频信号无法通过，却允许高频信号通过的通路。从EMI（电磁干扰）的角度来看，若存在与PE相连接的金属外壳，这条高频通道的存在亦有助于防止高频信号辐射至外部环境。
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；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。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。
2、电阻的作用
这个电阻可以有效防止ESD（静电释放）对电路板造成损害。若仅采用电容将电路板地与外壳地相连，电路板便构成一个浮地体系。在进行ESD测试时，或者在复杂电磁场环境下使用，电荷注入电路板后难以得到有效释放，进而会积累；当积累到一定程度，超出电路板及外壳间绝缘最薄弱点能够承受的电压值，便会引发放电现象——在极短时间内，电路板上可产生数十至数百安培的电流，这可能导致电路由于电磁脉冲而停止运行，或是破坏放电部位附近的连接元器件。若加装此阻抗件，便可逐步释出电荷并消除高压。根据IEC61000的ESD测试标准，每次放电需在10秒钟内完成2千伏电压的释放，故一般建议选用1兆欧至2兆欧的电阻。若外壳带有高压静电，此高阻抗元件也能有效降低电流，从而避免电路芯片受损。
3、需要注意的问题
1、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；
2、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；
3、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；；
4、在多个设备需互相连接时，应当尽量确保每个设备外壳均与大地在单点进行良好接地，同时每个设备内部PCB也应与其壳体在单点进行接地；
5、然而，若在多个设备彼此连接时，设备外壳无法实现良好接地，那么将其转为浮地状态，内部PCB无需与外壳接地反而更为适宜；
6、机壳地可能并非理想的接地选择，例如在配电网中未遵守相关安全规定，无地线存在；或者是接地棒周围土壤过于干燥，接地螺栓出现锈蚀或松动的情况。
7、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。
8、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。

maychang

【1、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；】

不能认同。看看台式PC机主板，那是与金属外壳良好联接的，但绝对不是“单点”联接，而是多点联接，至少使用4~6个螺钉。

吾妻思萌

【工频干扰会通过外壳接地消除，对PCB也不会产生干扰】

是50Hz的220V的供电然后辐射串扰还是啥，感觉不是工频的吧。

qwqwqw2088

5.然而，若在多个设备彼此连接时，设备外壳无法实现良好接地，那么将其转为浮地状态，内部PCB无需与外壳接地反而更为适宜；

相当于话又说回来了

btty038

maychang 发表于 2024-2-3 15:25 【1、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 ...

主机这个实验要求能讲一下吗？

btty038

吾妻思萌 发表于 2024-2-3 20:57 【工频干扰会通过外壳接地消除，对PCB也不会产生干扰】 是50Hz的220V的供电然后辐射串扰还是啥，感觉不 ...

是实验要求、各种恶劣条件  恢复后的绝缘电阻、、

btty038

qwqwqw2088 发表于 2024-2-4 20:09 5.然而，若在多个设备彼此连接时，设备外壳无法实现良好接地，那么将其转为浮地状态，内部PCB无需与外壳接 ...

举个栗子、比若说、、、

qwqwqw2088

btty038 发表于 2024-2-4 22:14 举个栗子、比若说、、、

这个不用举栗子吧

就是说，前面在

4说在多个设备需互相连接时，尽量，单点，接地，同时，每个设备，应与其壳体，单点，接地，，，

5又说、然而，多个，连接，，浮地状态，PCB无需与外壳接地，，适宜，，

Nubility

个人理解： 

 

1，1M电阻是因为IEC60335-1安规标准规定的二类产品的漏电流为0.25mA. 220V/0.25mA = 880K , 为了更安全就选得大一点，用1M。

 

2.100nF电容的作用是提供一个交流通路，将电路中存在的以PGND为参考电平的各种干扰信号导入大地

btty038

Nubility 发表于 2024-2-5 16:34 个人理解：    1，1M电阻是因为IEC60335-1安规标准规定的二类产品的漏电流为0.25mA. 220V/ ...

模拟讲究接地良好  数字需要区分  、整体上相当于把数字保护起来、

btty038

qwqwqw2088 发表于 2024-2-5 13:07 这个不用举栗子吧 就是说，前面在 4说在多个设备需互相连接时，尽量，单点，接地，同时，每个设备 ...

就单独的板卡接地、以及模块机箱内单点接地、存在安规、安可方面、以及六性方面是怎么和谐的、

btty038

Nubility 发表于 2024-2-5 16:34 个人理解：    1，1M电阻是因为IEC60335-1安规标准规定的二类产品的漏电流为0.25mA. 220V/ ...

这个问了专业板卡设计他的回复是什么防止雷电措施、静电高压隔离。

Gen_X

这个这个接法是针对弱点而设计的，也叫直流虚地。

主要是防止静电积累而在设备之间或设备和大地(或人)之间产生静电积累而出现干扰或放电现象，很多传感器都有这个设计，另外加个电容很显然，是实现了高频“接地”效果，简单两个原件实现了设计目的避免了设备之间或设别和人之间产生危害电压。

我们现在用的开关电源，如果真是直流浮地，一般小则几分钟，多则几小时，便会给被供电的系统整体带来70-1000V的DC静电积累，这个速度取决于PCB设计、电路设计、以及电源上用的隔离变压器的工艺和形式都有关系，很难一句话说清楚。但预防是必须的。

这个接地尤其对有运放的抗"共模"干扰的提升非常重要，很多国外的“模块”非要单点或多点接地以及信号分散接地，就是因为无法承受系统由于“浮地”措施不良而带来的危害，然后给用户提了很多的“规范”要求。