CN102548194A - 一种智能电表主电路板的接地设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以避免地环路成为电磁干扰传输路径的智能电表主电路板的接地设计方法。地环路在智能电表的电路中很常见，它既可以成为电磁辐射的发射天线，也可以成为接收外界干扰的接收天线，由地环路引起电磁兼容问题的现象比比皆是。本发明中的接地设计方法，主要包括：主电路板PCB的地线布局，和结构设计中的接地策略，并且还利用了铁氧体材料。能够切断地环路，并且消除其影响。

Description

一种智能电表主电路板的接地设计

技术领域

   本发明涉及一种智能电表主电路板的接地设计，尤其是涉及一种可避免地环路成为电磁干扰传输路径的智能电表主电路板的接地设计。

背景技术

在实际工作中，我们经常发现智能电表中存在“地环路”。一个典型的地环路示意图如图1所示，图中GND1代表智能电表主芯片和驱动电路部分的地，GND2代表输出端子部分的地。由于智能电表主电路板的地层与金属底板之间存在分布电容，所以在图1中，我们以C1、C2来表示。上图中的虚线所示的就是地环路。这个地环路可以将智能电表本身产生的高频干扰发射出去，同时也可以接收外界辐射过来的高频干扰。所以这个地环路的存在，对于智能电表而言，很可能会导致严重的电磁兼容问题。

还有，现有智能电表的主电路板在接地设计时，多数情况下采用多层板方式，然后再依照各部分电路的功能不同，划分出各自模块不同的地。各模块的地通常是和电源地单点相连；而各模块之间的地，通常情况下不直接连通。这样容易造成接地效果不良，即接地阻抗较大，并且使得地环路成为干扰的传输途径，导致电磁发射与电磁防护问题。

接地不良会造成接地电阻较大，在高频情况下这个电阻就不能忽略。当地平面上流过干扰信号时，在接地电阻的两端，即不同接地点之间会产生电位差。这个电位差会驱动高频干扰电流，使它沿着地环路传输，从而进入到其他的电路模块。当信号的参考地上有干扰电压时，整机的工作状态自然会受到影响。

智能电表融合了微电子、通讯和网络等多种技术。从电磁兼容角度分析，因其主电路板结构复杂，功能众多，所以有很多潜在的干扰源。如果PCB设计不好，则很可能将潜在的干扰发射出去，造成电磁辐射超标。而电路中存在“地环路”，是很多电磁发射超标的主要原因，当地环路的面积、拓扑与干扰源的频谱满足一定的条件时，地环路就成为了电磁发射的高增益天线。这就很可能造成整机电磁辐射超标。

另一方面，智能电表的使用环境相对复杂，尤其以变电站周围的电磁环境最为恶劣。同时，智能电表属于高精密仪表，本身又承担了很多数据采集、传输和预处理的任务，所以为了保障功能正常，智能电表的电磁防护也是很重要的一个方面。如果电路中存在有地环路，那么外界干扰很可能会被这个环路接收，从而影响智能电表的正常工作。

可见，无论是从电磁发射的角度，还是从电磁防护的角度，“地环路”都是智能电表在进行电路板设计时应该力求避免的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种可避免地环路成为电磁干扰传输路径的智能电表主电路板的接地设计。

上述技术问题的解决，本发明采取的技术方案是：

一种智能电表主电路板的接地设计，所述的主电路板安装在金属底板上，主电路板上设有智能电表主芯片、驱动芯片和输出端子，其特征是：将所述的主电路板的地线进行分割，在所述的主电路板上的智能电表主芯片和驱动电路的地GND1与所述的输出端子的地GND2两者的边界位置，用至少一个磁珠横跨在两端，GND1和GND2各自单独接金属底板，通过此方法切断地环路。

在上述基础上，本发明还可以做进一步的改进：

所述的主电路板为包括地层、电源层和信号层的多层PCB板，在所述的主电路板上的主芯片、驱动芯片和输出端子的地GND1和GND2位置和周围，分别加有至少两个过孔连到多层PCB板的地层。

 

有益效果：本发明通过采取合理的接地措施，避免各模块之间地环路的产生，从而切断高频干扰的传输途径，使智能电表满足电磁发射和电磁防护的要求。另外，采用恰当的PCB接地方法，在电路设计阶段就进行电磁兼容性的考虑，可以大大降低产品开发后期的整改成本，同时加快产品的上市进度。

智能电表的使用场合较多，电磁环境恶劣，并且智能电表本身融合了多种技术，这导致主电路板的功能较多，电路结构复杂。这些因素都造成了智能电表的电磁兼容问题不容忽视。另外，通常情况下，在产品研发阶段后期再去解决电磁兼容问题，成本会较高，且周期较长。本发明中的技术方案可以将智能电表的电磁兼容设计提到电路板布板阶段，既节省了成本，又不影响产品研发周期；并且本发明为设计人员提供了一种切实可行的主电路板接地设计方案。采用这种方案设计的主电路板，既可以满足电磁兼容发射的要求，又可以满足电磁兼容抗扰度要求。可谓是一举多得。

附图说明

图1为现有的智能电表主电路板的地环路示意图；

图2为本发明的智能电表主电路板的示意图之一；

图3为本发明的智能电表主电路板的示意图之二；

图4为本发明中的PCB布板与接地方法示意图之一；

图5为本发明中的PCB布板与接地方法示意图之二；

图6为某型号的智能电表原设计进行辐射发射测试初测结果示意图；

图7为某型号的智能电表按本发明改进后进行辐射发射测试初测结果示意图。

具体实施方式

如图2至图5所示，本发明的智能电表主电路板的接地设计实施例，主电路板安装在金属底板上，主电路板上设有智能电表主芯片、驱动芯片和输出端子，将主电路板的地线进行分割，参见图2，在主电路板上的智能电表主芯片和驱动电路的地GND1-1与所述的输出端子的地GND2-2两者的边界位置，用三个磁珠6横跨在两端，GND1和GND2各自单独接金属底板，通过此方法切断地环路，参见图3和图4。

在图3中，黑色线条方框代表主电路板。这种接地布局方法将GND1和GND2分开。在两者的边界位置，用磁珠横跨在两端。磁珠可选用FB400或者FB600，在个数上可以多用，但也不是越多越好，应根据实际测试结果而定。GND1和GND2各自单独接金属底板（即大地）。图4更加直观的说明了本发明中的PCB布板与接地方法。

由图3和图4可以清晰的看出：

1）磁珠隔断了GND1到GND2的传输路径。图3中的FB1、FB2和FB3，它们的安装位置就在地环路上；

2）GND1和GND2分别接大地，消除了耦合电容。寄生电容C1、C2这时已经不存在。

这样做就完全破坏了原有的地环路。用电磁兼容三要素的说法就是：切断了原有的传输途径，EMC问题自然迎刃而解。

如能在主芯片、驱动芯片和端子位置和周围，分别加多个过孔连到多层板的地层，那么效果会更好。

图5所示的主电路板为包括地层5、电源层3和信号层4的多层PCB板，在主电路板上的主芯片、驱动芯片和输出端子的地GND1-1和GND2-2位置和周围，分别加有两个过孔6连到多层PCB板的地层5。

用电信息采集终端故障智能诊断系统的实施例

举例如下：某型号的智能电表进行辐射发射测试，其初测结果见图6：

经过分析，我们判断出辐射测量值超标是由地环路造成的。采用本发明中的技术方案后，我们对该智能电表的主电路板进行了重新布板，具体参见上面的实施例。

重测结果见图7.重测结果表明，采用本发明的智能电表，已经顺利通过了测试。

本发明的技术关键点为：

A．采用合理的PCB布板技术，使开发的电路板满足电磁兼容设计规范。

B．采用合理的接地技术，与PCB布板技术相结合，目的是消除地环路，从而切断高频干扰的传输路径。

C．利用铁氧体材料其阻抗的频率特性，切断地环路。

Claims (2)

1.一种智能电表主电路板的接地设计，所述的主电路板安装在金属底板上，主电路板上设有智能电表主芯片、驱动芯片和输出端子，其特征是：将所述的主电路板的地线进行分割，在所述的主电路板上的智能电表主芯片和驱动电路的地GND1（1）与所述的输出端子的地GND2（2）两者的边界位置，用至少一个磁珠横跨在两端，GND1（1）和GND2（2）各自单独接金属底板。

2.根据权利要求1所述的智能电表主电路板的接地设计，其特征是：所述的主电路板为包括地层（5）、电源层（4）和信号层（3）的多层PCB板，在所述的主电路板上的主芯片、驱动芯片和输出端子的地GND1（1）和GND2（2）位置和周围，分别加有至少两个过孔（6）连到多层PCB板的地层（5）。

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