電路接地¹在電路原理圖中看起來(lái)很簡(jiǎn)單；但是，電路的實(shí)際性能是由其印制電路板（PCB）布局決定的。而且，接地節(jié)點(diǎn)的分析很困難，特別是對(duì)于DC/DC變換器，例如降壓型和升壓型變換器，這些電路的接地節(jié)點(diǎn)會(huì)聚快速變化的大電流。當(dāng)接地節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)遭受影響并且該系統(tǒng)會(huì)輻射電磁干擾（EMI）。但是如果很好地理解“接地“引起的接地噪聲的物理本質(zhì)可提供一種減小接地噪聲問(wèn)題的直觀認(rèn)識(shí)。

接地反彈（Ground bounce）簡(jiǎn)稱地彈會(huì)產(chǎn)生幅度為幾伏的瞬態(tài)電壓；最常見(jiàn)的是由磁通量變化引起的。傳輸電流的導(dǎo)線環(huán)路實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比。磁通量與穿過(guò)環(huán)路面積和磁場(chǎng)強(qiáng)度乘 積成正比。

磁通量 ∝ 磁場(chǎng)強(qiáng)度 × 環(huán)路面積

更精確的表示是：

            Φ_B = BA cosφ

其中磁通量ΦB等于磁場(chǎng)強(qiáng)度B乘以穿過(guò)環(huán)路平面A和磁場(chǎng)方向與環(huán)路平面單位矢量夾角φ的余弦。

圖1示出了磁通量與電流之間的關(guān)系。一個(gè)電壓源驅(qū)動(dòng)電流克服電阻沿導(dǎo)線環(huán)路流動(dòng)。電流與環(huán)繞導(dǎo)線的磁通量相關(guān)聯(lián)。為了將不同的物理量聯(lián)系起來(lái)，可以考慮用你的右手握住導(dǎo)線（應(yīng)用右手定則）。如果你的拇指指向電流的方向，那么你的其它手指將沿磁場(chǎng)磁力線方向環(huán)繞導(dǎo)線。因?yàn)槟切┐帕€穿過(guò)環(huán)路，所以形成了磁通量，在本例中磁通量方向?yàn)榇┤腠?yè)面。

圖1. 右手定則

改變磁場(chǎng)強(qiáng)度或環(huán)路面積都會(huì)引起磁通量變化。當(dāng)磁通量變化時(shí)，在導(dǎo)線中產(chǎn)生與磁通量變化率dΦ_B/d t成正比的電壓。應(yīng)該注意的是，當(dāng)環(huán)路面積固定，電流變化；或者電流恒定，環(huán)路面積變化；或者兩種情況同時(shí)變化——都會(huì)改變磁通量。

例如，假設(shè)圖2中的開關(guān)突然斷開。當(dāng)電流停止流動(dòng)時(shí)，磁通量消失，這會(huì)沿導(dǎo)線各處產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)大電壓。如果導(dǎo)線的一部分是一個(gè)接地返回引腳，那么以地電平為參考端的電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰，從而在任何使用該引腳為接地參考端的電路中都會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

圖2. 開啟開關(guān)的作用

通常，PCB印制線電阻上的電壓降不是接地反彈的主要來(lái)源。1盎司（oz）銅的電阻為500 微歐/方數(shù)（µΩ/⌈），因此1 A電流變化只能產(chǎn)生500 µV/⌈的反彈電壓——問(wèn)題只存在于采用細(xì)長(zhǎng)印制線或菊花鏈?zhǔn)浇拥鼗蚓茈娮与娐贰?/span>

寄生電容器的充電和放電為瞬態(tài)大電流返回到地提供了一條路徑。由于電流變化引起的磁通量變化也引起接地反彈。

在DC/DC開關(guān)電源中減少接地反彈的最好方法就是控制磁通量變化——使電流環(huán)路面積和環(huán)路面積變化最小。

在某些情況下，例如圖3所示，電流保持恒定，而開關(guān)切換引起環(huán)路面積變化，因此產(chǎn)生磁通量的變化。在開關(guān)狀態(tài)1中，一個(gè)理想的電壓源通過(guò)理想導(dǎo)線與一個(gè)理想電流源相連。電流在一個(gè)包含接地回路的環(huán)路中流動(dòng)。

在開關(guān)狀態(tài)2中，當(dāng)開關(guān)改變位置時(shí)，同樣的電流在不同的路徑中流動(dòng)。電流源為直流（DC），且并沒(méi)有變化，但環(huán)路面子發(fā)生了變化。環(huán)路面積的變化意味著磁通量的變化，所以產(chǎn)生了電壓。因?yàn)榻拥鼗芈窞樽兓h(huán)路的一部分，所以它會(huì)產(chǎn)生反彈電壓。

圖 3

降壓型變換器的接地反彈

為了討論方便，將圖3中的簡(jiǎn)單電路變換成與其類似的電路——圖4中的降壓型變換器。

圖4. 對(duì)于高頻開關(guān)，大電容C_VIN和大電感L_BUCK可以看作一個(gè)電壓源和電流源

在高頻時(shí)，一個(gè)大電容器——例如降壓型變換器輸入電容器，C_VIN——可以看作一個(gè)DC電壓源。類似地，一個(gè)大電感器——例如降壓型變換器輸出電感器，L_BUCK——也可以看作一個(gè)DC電流源。所做的這些近似有助于直觀理解。

圖5示出當(dāng)開關(guān)在兩個(gè)位置之間交替切換時(shí)磁通量如何變化。

圖5. 開關(guān)對(duì)環(huán)路面積的影響

大電感器L_BUCK使輸出電流大約保持恒定。類似地，大電容器C_VIN保持電壓大約等于V_IN。由于輸入引線電感兩端的電壓不變，所以輸入電流也大約保持恒定。

盡管輸入電流和輸出電流基本不變，但當(dāng)開關(guān)從位置1切換到位置2時(shí)，總環(huán)路面積會(huì)迅速變?yōu)樵瓉?lái)的一半。環(huán)路面積的變化意味著磁通量的快速變化，從而沿著接地回路引起接地反彈。

實(shí)際上，降壓型變換器由一對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成，如圖6所示。

雖然每個(gè)圖中的復(fù)雜程度增加，但是通過(guò)磁通量變化引起接地反彈的分析方法仍然很簡(jiǎn)單和直觀。

圖6. 采半導(dǎo)體開關(guān)對(duì)分析接地反彈的基本原理不變

事實(shí)上，磁通量的變化會(huì)沿著接地回路各處都產(chǎn)生電壓，這就帶來(lái)了一個(gè)有趣的問(wèn)題：哪里是真正的地？因?yàn)榻拥胤磸椧馕吨鄬?duì)于稱作地的某個(gè)理想點(diǎn)（那一點(diǎn)需要定義），在接地返回印制線上產(chǎn)生一個(gè)反彈電壓。

在電源穩(wěn)壓器電路中，真實(shí)的地應(yīng)該連接在負(fù)載的低壓端。畢竟，DC/DC變換器的目的是為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓和電流。電流回路上的其它所有點(diǎn)都不是真正的地，只是接地回路的一部份。

由于在負(fù)載的低壓端接地并且環(huán)路面積的變化是接地反彈的原因，圖7顯示了如何精心地放置C_VIN通過(guò)減小環(huán)路面積變化的比率降低接地反彈。

圖7. 精心放置C_VIN可以大大減小接地反彈

電容器C_VIN旁路PCB頂層的高端開關(guān)直接到達(dá)底層低端開關(guān)兩端，因此減小了環(huán)路面積的變化，將其與接地回路隔離。當(dāng)開關(guān)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)，從V_IN的底部到負(fù)載的底部，無(wú)環(huán)路面積變化或開關(guān)電流變化。因此接地回路沒(méi)有發(fā)生反彈。

圖8. 當(dāng)開關(guān)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時(shí)不合理的布線會(huì)導(dǎo)致電流環(huán)路面積大幅變化

實(shí)際上，PCB布線本身決定了電路的性能。圖8為圖6中降壓型變換器電路原理圖的PCB布線圖。當(dāng)開關(guān)處于狀態(tài)1所示的位置，高端開關(guān)閉合，DC電流沿著外圈紅色環(huán)路流動(dòng)。當(dāng)開關(guān)處于狀態(tài)2所示的位置，低端開關(guān)閉合，DC電流沿著藍(lán)色環(huán)路流動(dòng)。注意由于環(huán)路面積變化引起磁通量變化。因此產(chǎn)生電壓和接地反彈。

為了清晰起見(jiàn)，在單層PCB上實(shí)現(xiàn)布線，但即使使用第二層整塊接地平面也無(wú)法解決接地反彈問(wèn)題。在展示改進(jìn)布線圖之前，圖9給出了一個(gè)簡(jiǎn)單例子說(shuō)明地平面無(wú)法解決問(wèn)題。

圖9. 整體地平面并不總是一個(gè)好方法

這里，我們采用雙層PCB以便在與頂層電源線垂直處附加一個(gè)旁路電容。在左邊的例子中，地平面是整體的并且未切割。頂層印制線電流通過(guò)電容器流過(guò)，穿過(guò)過(guò)孔，到達(dá)地平面。

因?yàn)榻涣鳎ˋC）電總是沿著最小阻抗路徑流動(dòng)，接地返回電流繞著其路徑拐角返回電源。所以當(dāng)電流的幅度或頻率發(fā)生變化時(shí)，電流的磁場(chǎng)及其環(huán)路面積發(fā)生變化，從而改變磁通量。電流沿最小阻抗路徑流動(dòng)的規(guī)律意味著，即使采用整體地平面也會(huì)發(fā)生接地反彈——與其導(dǎo)通性無(wú)關(guān)。

在右邊的例子中，一個(gè)經(jīng)過(guò)合理規(guī)劃切割的地平面會(huì)限制返回電流以使環(huán)路面積最小，從而大大減小接地反彈。在切割返回線路內(nèi)產(chǎn)生的任何剩余接地反彈電壓與通用地平面隔離。

圖10中的PCB布線利用圖9中示出的原理減小了接地反彈。采用雙層PCB板以便將輸入電容器和兩個(gè)開關(guān)安排在地平面的孤島上。

這種布線不必最好，但它工作很好，而且能夠說(shuō)明關(guān)鍵問(wèn)題。應(yīng)該注意紅色電流（狀態(tài)1）和藍(lán)色電流（狀態(tài)2）包圍的環(huán)路面積很大，但兩個(gè)環(huán)路面積之差很小。環(huán)路面積變換很小意味著磁通量的變化小——即接地反彈小。（然而，一般情況下，也要保證環(huán)路面積小——圖10只是為了說(shuō)明AC電流路徑匹配的重要性。）

另外，在磁場(chǎng)和環(huán)路面積發(fā)生變化的接地回路孤島內(nèi)，沿著任何接地回路引起的接地反彈都受接地切割限制。

此外，可能第一眼看上去，輸入電容器C_VIN好像沒(méi)有位于圖7中所示的頂層高端開關(guān)和低層低端開關(guān)之間，但進(jìn)一步觀察才會(huì)發(fā)現(xiàn)是這樣。盡管物理鄰近可以很好，但真正起作用的是通過(guò)最小化環(huán)路面積實(shí)現(xiàn)的電子接近。

圖10. 合理的降壓型變換器布線可以使?fàn)顟B(tài)1和狀態(tài)2之間的環(huán)路面積變化很小

升壓型變換器中的接地反彈

升壓型變換器實(shí)際上是降壓型變換器的反射，因此——如圖11所示——它是輸出電容器，輸出電容器必須放在頂層高端開關(guān)和底層低端開關(guān)底端之間以使環(huán)路面積變化最小。

圖11. 按照降壓型變換器將C_VIN放在關(guān)鍵位置相同的方法，升壓型變換器將C_VOUT放在關(guān)鍵位置。
a)不合理設(shè)計(jì)，b)合理設(shè)計(jì)。

小結(jié)

接地反彈電壓主要是由于磁通量變化引起的。在DC/DC開關(guān)電源中，磁通量變化是由于在不同的電流環(huán)路面積之間高速切換DC電流引起的。但是精心放置降壓型變換器的輸入電容器和升壓型變換器的輸出電容器并且合理切割接地平面可以隔離接地反彈。然而，重要的是當(dāng)切割地平面時(shí)必須謹(jǐn)慎以避免增加電路中其它返回電流的環(huán)路面積。

另外，一個(gè)合理的布線應(yīng)該將真正的地放在連接負(fù)載的底層，不會(huì)引起環(huán)路面積的變化或電流的變化。任何其它與導(dǎo)通相關(guān)的點(diǎn)都可以稱為“地”，但它只是沿著返回路徑的一點(diǎn)而已。

其它用于接地分析的有用概念

如果你牢記下述基本概念，你就會(huì)清楚地知道什么情況會(huì)產(chǎn)生接地反彈，什么情況不會(huì)產(chǎn)生接地反彈。圖12示出了相互垂直的兩個(gè)導(dǎo)體不會(huì)遭受磁場(chǎng)的互相影響。

圖12. 相互垂直的兩個(gè)導(dǎo)體不會(huì)遭受磁場(chǎng)的互相影響

沿著相同方向傳輸相等電流的兩條平行導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁力線在兩條導(dǎo)線之間處會(huì)相互抵消，所以兩條導(dǎo)線總儲(chǔ)存能量要比單獨(dú)一條導(dǎo)線儲(chǔ)存的能量少。因此，PCB寬印制線的電感要比窄印制線小。

圖13. 電流沿著相同方向流動(dòng)的兩條平行導(dǎo)線

沿著相反方向傳輸相等電流的兩條平行導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁力線在兩條導(dǎo)線的外部相互抵消，而在兩條導(dǎo)線之間處增強(qiáng)。如果內(nèi)部環(huán)路面積縮小，那么總磁通量，所以電感也隨之變小。該現(xiàn)象可以解釋為何AC地平面的返回電流總是沿頂層印制線導(dǎo)線下方流動(dòng)。

圖14. 電流沿著相反方向流動(dòng)的兩條平行導(dǎo)線

圖15示出了為何拐角增加電感。一條直導(dǎo)線只能看到它自己的磁場(chǎng)，但是在拐角處，還能看到垂直導(dǎo)線的磁場(chǎng)。因此，拐角儲(chǔ)存了更多的磁場(chǎng)能量，其電感要大于直導(dǎo)線。

圖15. 為何拐角增加電感

圖16示出了在傳輸流的導(dǎo)線下面切割接地平面，由于轉(zhuǎn)移回路電流可增加環(huán)路面積，從而增大環(huán)路尺寸并且助長(zhǎng)接地反彈。

圖16. 返回電流沿著最小阻抗路徑流動(dòng)

元件方向的作用，如圖17所示。

圖17. 元件方向的影響

總結(jié)

接地反彈一直是一個(gè)潛在的問(wèn)題。對(duì)于監(jiān)視器或電視，它意味著圖像有噪聲；對(duì)于音頻設(shè)備則意味著噪聲本底。在數(shù)字系統(tǒng)系統(tǒng)中，接地反彈可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤——甚至是系統(tǒng)崩潰。

對(duì)于預(yù)測(cè)接地反彈幅度來(lái)說(shuō)，仔細(xì)估計(jì)寄生元素和細(xì)致的仿真是有效的方法。但對(duì)指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)的直覺(jué)，理解背后的物理原理是很必要的。

首先，設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)該將負(fù)載的低壓端設(shè)置為真正的地。

然后，用電流源和電壓源容替大電感器和電容器以簡(jiǎn)化電路動(dòng)態(tài)特性。觀察每種開關(guān)組合下的電流環(huán)路。應(yīng)該使環(huán)路重疊；如果無(wú)法做到重疊，應(yīng)該精心地在地平面上切割出一個(gè)小島以確保只有DC流入和流出孤島開口。

在大多數(shù)情況下，經(jīng)過(guò)這些努力可以獲得可以接受的接地性能。如果還是不能，應(yīng)該首先考慮地平面的電阻，然后考慮所有開關(guān)和進(jìn)入返回路徑的寄生電容器兩端流過(guò)的位移電流。

無(wú)論什么電路，基本接地原理都是相同的——應(yīng)該使磁通量的變化最小或者對(duì)它隔離。