CN100367644C - 具有隔离式接地的电子电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有隔离式接地的电子电路，包括隔离式接地的电子器件、非隔离式接地的电子器件、单独的接地平面和统一的接地平面，其中：隔离式接地的电子器件的接地端子与所述单独的接地平面连接；所述非隔离式接地的电子器件的接地端子与所述统一的接地平面连接；所述单独的接地平面与所述统一的接地平面单点连接。本发明使接地平面中的噪音难以通过单点连接处在单独的接地平面内形成回流途径，从而能够在单独的接地平面和统一的接地平面之间有效隔离噪音，并且，本发明不会增加制造成本。本发明还提供了一种以分割线划分单独的接地平面和统一的接地平面的印刷电路板，在不修改已有的印刷电路板布局设计的基础上，可以取得相同的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子电路，尤其涉及一种具有隔离式接地的电子电路。
背景技术
随着集成电路的发展，电子器件的功能越来越强大，制造工艺也不断升级，采用低电压、大电流工作的芯片大量出现，推动了PWM(Pulse WideModulation，脉冲宽度调制)降压型电压控制芯片的广泛应用。
PWM芯片和MOSFET(metallic oxide semiconductor field effecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、电感、电容等一起，组成PWM开关电源电路，为电子器件提供所需的各种电压，成为电子系统可靠运行的关键。PWM开关电源电路在提供低电压、大电流的同时，也对PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)的设计，特别是对接地处理提出了很高的要求。如果PCB板上的PWM芯片受到来自接地平面的干扰，PWM开关电源电路的输出电压会附带强噪声，影响后级受电芯片工作。当接地平面噪音过强时，会导致PWM芯片工作异常。
在现有技术中，PWM开关电源电路在印刷电路板上的接地处理如图1所示。PWM开关电源电路包括PWM芯片、场效应管M1、场效应管M2和输出滤波电路，其中，PWM芯片的电源端子VIN与外部电源Vin相连，接地端子GND连接到接地平面110的A点，第一控制信号输出端子TS(Top Side)与第二控制信号输出端子BS(Bottom Side)分别连接到场效应管M1和场效应管M2的栅极，用于控制这两个场效应管的导通和截止；场效应管M1的漏级连接到外部电源Vin，源级连接到场效应管M2的漏级并与输出滤波电路中电感L1的一端相连；场效应管M2的源级连接到接地平面110的B点；输出滤波电路由电感L1和电容C1组成，电感L1一端连接到场效应管M1的源极和场效应管M2的漏极，另一端与PWM开关电源电路的输出端Vout相连，并通过电容C1连接到接地平面110的C点。
PWM开关电源电路工作时，场效应管M2处于周期性的导通状态，造成B点及B点附近的地处于浮动状态，噪音相当强烈。B点产生的强噪音沿接地平面110扩散，到达A点。PWM芯片对外部工作环境敏感，对输入电源和接地平面要求很高。当A点的地电位受到强烈噪声影响时，PWM芯片的输出信号会附带强噪音，使得PWM开关电源电路的输出电压品质下降。
为了降低PWM开关电源电路输出电压的噪音，通常采用两种方法：一种是在输出滤波电路中选用大感值的电感作为L1，另一种是在输出滤波电路中选用ESR(Effective Series Resistance，有效串联电阻)值低的电容作为C1。
不论采用上述哪种方法，实质上都是增强了输出滤波电路的功能，只能被动地减缓PWM开关电源电路输出的噪音。由于无法减小来自接地平面的干扰，这样的方法不能大幅度地降低输出电压的噪音。通常情况下，当接地平面上的噪音为200～500mV时，PWM开关电源电路的输出信号上附带的噪音会到达200～500mV。同时，这种方法还增加了制造成本。
发明内容
本发明要解决的是现有电子电路接地平面中噪音传播对噪音敏感器件干扰的问题。
本发明所述电子电路包括隔离式接地的电子器件、非隔离式接地的电子器件、单独的接地平面和统一的接地平面，其中：
所述隔离式接地的电子器件的接地端子与所述单独的接地平面连接；所述非隔离式接地的电子器件的接地端子与所述统一的接地平面连接；所述单独的接地平面与所述统一的接地平面单点连接。
优选地，所述单独的接地平面与统一的接地平面之间单点连接处的宽度由所述单独的接地平面上接地的电子器件的功耗决定。
优选地，该电子电路是一种开关电源电路，其中所述隔离式接地的电子器件包括脉冲宽度调制PWM电压控制芯片；所述非隔离式接地的电子器件包括场效应管和滤波电容。
本发明提供的另一种电子电路，包括隔离式接地的电子器件、非隔离式接地的电子器件、单独的接地平面和统一的接地平面，其中：
所述隔离式接地的电子器件的接地端子与所述单独的接地平面连接；所述非隔离式接地的电子器件的接地端子与所述统一的接地平面连接；所述单独的接地平面在统一的接地平面内、以分隔线作为自身边界线，并与所述统一的接地平面单点连接。
优选地，所述单独的接地平面与统一的接地平面之间单点连接处的宽度由所述单独的接地平面上接地的电子器件的功耗决定。
优选地，所述分割线的宽度为0.254毫米。
优选地，所述电子电路是一种开关电源电路，其中所述隔离式接地的电子器件包括脉冲宽度调制PWM电压控制芯片；所述非隔离式接地的电子器件包括场效应管和滤波电容。
本发明通过设置单独的接地平面并在单独的接地平面和统一的接地平面之间采用单点连接，使接地平面中的噪音难以通过单点连接处在单独的接地平面内形成回流途径，从而能够在单独的接地平面和统一的接地平面之间有效隔离噪音，并且，本发明不会增加制造成本。
本发明还提供了以分割线划分单独的接地平面和统一的接地平面的印刷电路板，在不修改已有的PCB板布局设计的基础上，可以取得与上述相同的技术效果。
附图说明
图1所示为现有技术中PWM电源电路的接地示意图；
图2所示为本发明中PCB的接地平面示意图；
图3所示为本发明第一实施例的接地示意图；
图4所示为本发明第二实施例的接地示意图。
具体实施方式
如前所述，在现有技术中，对于某一电子电路模块，其上所有电子器件的接地端子都直接连接到一个完整的接地平面上。这样，一些电子器件在工作时在接地平面上产生的噪音和/或PCB板上其他噪音源产生的噪音在完整的接地平面上形成噪音信号回流，对其他电子器件造成干扰。
因此，要为一部分对接地平面噪音敏感的电子器件隔离来自PCB接地平面的噪音信号，本发明采用的方法是令噪音信号避免通过这些电子器件在PCB接地平面的接地点回流，从而有效降低这些电子器件接地点的噪音。
本发明中，将现有技术中完整的接地平面中分为统一的接地平面和至少一个单独的接地平面，在统一的接地平面与每个单独的接地平面之间采用单点连接。其中，单独的接地平面为分割出的小块接地平面。单独的接地平面主要用来连接需要隔离接地平面噪音的电子器件的接地端子，统一的接地平面用来连接PCB板上其他电子器件的接地端子。
这样，当统一的接地平面内产生的噪音信号在沿着统一的接地平面传播到与单独的接地平面的单点连接处时，由于噪声信号难以通过被分割出的小块地找到回流途径，或者说很难通过单独的接地平面这样的小块地完成信号回流，因而噪音信号只会在统一的接地平面内寻找回流途径，因此只会对单独的接地平面造成极其有限的干扰。而单独的接地平面通过与统一的接地平面之间的单点连接，可以使连接到单独的接地平面上的电子器件的信号流向统一的接地平面。
由上可见，本发明将单独的接地平面与统一的接地平面在一定程度上隔离开来，只通过单点连接来实现完整接地平面的等电位，从而对连接在单独的接地平面上的电子器件进行隔离式接地，有效地隔离了统一的接地平面上的噪音。
相应地，根据工作时对接地平面噪音的敏感程度和与PCB布线相关的综合考虑，将PCB上的电子器件分为隔离式接地的电子器件和非隔离式接地的电子器件，对应地将其接地端子连接到单独的接地平面和统一的接地平面。每个隔离式接地的电子器件可以连接到一个单独的接地平面上，根据实际情况，在设计需求允许的条件下，也可以将两个或两个以上需要隔离的电子器件连接到同一个单独的接地平面上，当然前提是这些需要隔离的电子器件之间的噪音干扰很小，或者说是设计者可以接受的。在一些具有特殊要求的设计中，例如要求某个不需要隔离的电子器件的接地点与某个需要隔离接地平面噪音的电子器件的接地点非常靠近，这种情况下如果不需要隔离的电子器件产生的接地平面噪音在可以接受的范围内，也可以将上述两个电子器件的接地端子都连接到一个单独的接地平面上。
请参见图2所示的接地平面示意图，接地平面分为统一的接地平面210、单独的接地平面221、222和223。单独的接地平面221和222中分别各有一个接地点231和232，单独的接地平面223中有两个接地点233和234，其中接地点231、232、234分别连接到三个需要隔离接地平面噪音干扰的电子器件，而接地点233则因需要和统一接地平面210隔离并且由于其他原因需要和接地点234尽量靠近，同样也设在单独的接地平面223上。在这种情况下，要确保连接到接地点233和234上的两个电子器件在单独的接地平面223上互相的噪音干扰是电路设计需求可以容忍的。
本发明对单独的接地平面的面积大小和形状没有要求，只要可以满足连接到该单独的接地平面上的电子器件的接地要求即可。单点连接处的连接宽度应该尽可能的小，但同时受到连接在该单独的接地平面上的电子器件功耗的限制，功耗越大，连接宽度越宽。当连接在该单独的接地平面上的电子器件的总工作电流为1A(安培)时，单点连接处的连接宽度为0.254至0.508毫米(10至20密耳)，这样的宽度可以保证该电子器件具有良好的接地效果，同时能够较好地隔离来自统一的接地平面的噪音。
本发明的第一实施例以PWM开关电源电路为例，其原理图请参见图3。在PWM开关电源电路中，PWM芯片为隔离式接地的电子器件，场效应管M2和滤波电容C1为非隔离式接地的电子器件。PCB板上的接地平面由统一的接地平面310和单独的接地平面320组成，PWM芯片在单独的接地平面320内的A点接地，场效应管M2和滤波电容C1分别在统一的接地平面310上的B点和C点接地。统一的接地平面310和单独的接地平面320在D点单点连接。
由于场效应管M2的接地点B点是PWM开关电源电路在接地平面中产生噪音的重要来源，因此D点最好能放在离B点距离较远的地方。同时，当电容C1的滤波性能良好时，D点可以选在C点附近，以取得更好的滤波效果。
当统一的接地平面310上的噪音仍为200～500mV时，PWM开关电源电路的输出信号上附带的噪音只有20～50mV。可见，本发明在不增加制造成本的基础上对隔离噪音取得了显著的效果。
图4所示为本发明第二实施例的接地示意图，仍以PWM开关电源电路为例。在第二实施例中，没有对现有技术中PCB板上已有接地平面的布局，而是以分割线为边界，在PWM芯片的接地点A点四周形成单独的接地平面，分割线构成的边界不闭合，在D点留一个窄的开口，形成单独的接地平面与统一的接地平面之间的单点连接。
场效应管的接地点B点产生的噪音，或PCB板上其它噪音源产生的噪音不能够经过PWM芯片的接地点A点回流，从而避免接地平面噪音对PWM芯片的干扰。而PWM芯片输出到地的电流，可以直接经过D点送出。
与第一实施例中相同，D点最好选在远离场效应管的接地点B点和靠近滤波电容的接地点C点的位置。
本实施例中以分割线形成单独的接地平面的方法可以应用于其他的印刷电路板。采用这种方式不需要更改已有的PCB布局设计，只要在需要隔离接地平面噪音的电子器件的接地点周围增加分割线即可，极大地简化了应用本发明的工作量。
本发明中，对单独的接地平面和统一的接地平面之间的分割线的宽度没有特别要求，能够较好地隔离信号即可，推荐值为10mil。
可见，本发明通过单点连接单独的接地平面和统一的接地平面，从根本上隔离了接地平面的绝大部分噪音回流，有效地防止了对在单独的接地平面上接地的电子器件的干扰。而且，本发明普遍适用于各种PCB板，电路稳定可靠。同时，本发明不需要额外的器件，只需要对PCB板的接地平面进行修改即可，对PCB板所在电子电路的整体成本没有影响。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种电子电路，其特征在于，包括隔离式接地的电子器件、非隔离式接地的电子器件、单独的接地平面和统一的接地平面，其中：
所述隔离式接地的电子器件的接地端子与所述单独的接地平面连接；所述非隔离式接地的电子器件的接地端子与所述统一的接地平面连接；所述单独的接地平面与所述统一的接地平面单点连接。
2.按照权利要求1所述的电子电路，其特征在于：所述单独的接地平面与统一的接地平面之间单点连接处的宽度由所述单独的接地平面上接地的电子器件的功耗决定。
3.按照权利要求1所述的电子电路，其特征在于：该电子电路是一种开关电源电路，其中所述隔离式接地的电子器件包括脉冲宽度调制PWM电压控制芯片；所述非隔离式接地的电子器件包括场效应管和滤波电容。
4.一种电子电路，其特征在于，包括隔离式接地的电子器件、非隔离式接地的电子器件、单独的接地平面和统一的接地平面，其中：
所述隔离式接地的电子器件的接地端子与所述单独的接地平面连接；所述非隔离式接地的电子器件的接地端子与所述统一的接地平面连接；所述单独的接地平面在统一的接地平面内、以分隔线作为自身边界线，并与所述统一的接地平面单点连接。
5.按照权利要求4所述的电子电路，其特征在于：所述单独的接地平面与统一的接地平面之间单点连接处的宽度由所述单独的接地平面上接地的电子器件的功耗决定。
6.按照权利要求4所述的电子电路，其特征在于：所述分割线的宽度为0.254毫米。
7.按照权利要求4所述的电子电路，其特征在于：所述电子电路是一种开关电源电路，其中所述隔离式接地的电子器件包括脉冲宽度调制PWM电压控制芯片；所述非隔离式接地的电子器件包括场效应管和滤波电容。
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