揭秘电子设计中的巧妙接地：为什么PCB地与金属机壳用阻容连接？

发布时间: 2024-10-12 08:16:48

来源: 国际电子信息产业

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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

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。

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。

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。