開關電源中數(shù)字 GND 和功率部分 GND 怎么處理?

在開關電源設計中，數(shù)字 GND 和功率部分 GND 的妥善處理是確保電源穩(wěn)定運行、降低電磁干擾(EMI)以及提高系統(tǒng)可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。由于數(shù)字電路和功率電路在工作特性、電流大小以及對干擾的敏感度等方面存在顯著差異，因此需要針對性地制定接地策略，以實現(xiàn)兩者的有效協(xié)同工作。

數(shù)字 GND 與功率部分 GND 的特性差異

數(shù)字 GND 特性

數(shù)字電路主要處理邏輯信號，其工作電流相對較小，一般在毫安級別。數(shù)字 GND 作為數(shù)字信號的參考地，對信號的穩(wěn)定性和準確性要求極高。數(shù)字電路中的信號變化速度快，上升沿和下降沿陡峭，這使得數(shù)字 GND 容易受到高頻噪聲的干擾。在微處理器電路中，數(shù)字 GND 上的噪聲可能導致邏輯判斷錯誤，影響系統(tǒng)的正常運行。數(shù)字 GND 的電位需要保持相對穩(wěn)定，以確保數(shù)字信號的正確傳輸和處理。

功率部分 GND 特性

功率電路負責電能的轉換和傳輸，其工作電流通常較大，可達數(shù)安甚至數(shù)十安。功率部分 GND 承載著大功率的電流，在電流通過時會產(chǎn)生一定的電壓降。功率電路中的開關動作，如開關管的導通和關斷，會產(chǎn)生強烈的電磁干擾，這些干擾會通過功率部分 GND 傳播到其他電路部分。在開關電源的功率變換級，開關管的高頻開關動作會在功率部分 GND 上產(chǎn)生高頻噪聲和電壓波動，若處理不當，會對整個電源系統(tǒng)以及周邊電路造成嚴重的干擾。

常見的接地處理方法

單點接地

單點接地是一種較為基礎且常用的接地方式。在開關電源中，將數(shù)字 GND 和功率部分 GND 分別連接到一個公共接地點，形成星型接地結構。這種方式可以有效避免不同電路之間的地電流相互干擾。由于數(shù)字電路和功率電路的電流路徑相互獨立，不會因功率電路的大電流在公共地線上產(chǎn)生的電壓降影響數(shù)字電路的正常工作。在一個包含數(shù)字控制電路和功率變換電路的開關電源中，將數(shù)字 GND 和功率部分 GND 分別連接到電源的負極作為公共接地點，通過單點接地，有效減少了功率電路對數(shù)字電路的干擾，提高了電源的穩(wěn)定性。單點接地在高頻應用中存在一定局限性，因為過長的接地引線會產(chǎn)生較大的電感，導致接地阻抗增加，影響接地效果。

多點接地

多點接地適用于高頻開關電源。在這種接地方式下，數(shù)字 GND 和功率部分 GND 分別就近連接到接地平面或接地母線。由于高頻信號的波長較短，接地引線的電感對信號的影響較大，多點接地能夠縮短接地路徑，降低接地阻抗，快速將高頻電流引入大地，減少電磁輻射。在一個工作頻率為 500kHz 的開關電源中，功率部分的開關管和電感等元件通過多點接地方式連接到接地平面，數(shù)字電路部分的芯片和元件也就近連接到接地平面，有效降低了高頻噪聲的干擾，提高了電源的效率和 EMC 性能。多點接地可能會形成地環(huán)路，當有交變磁場穿過地環(huán)路時，會產(chǎn)生感應電流，引發(fā)地環(huán)路干擾。

混合接地

混合接地結合了單點接地和多點接地的特點。對于低頻部分，如數(shù)字電路中的低頻邏輯信號部分，采用單點接地，以避免地環(huán)路干擾;對于高頻部分，如功率電路中的高頻開關部分，采用多點接地，降低接地阻抗。在一個復雜的開關電源中，數(shù)字電路部分包含了低頻的控制信號和高頻的時鐘信號，對于低頻控制信號的 GND 采用單點接地，連接到公共接地點;對于高頻時鐘信號的 GND 以及功率部分的 GND，采用多點接地連接到接地平面。通過混合接地，充分發(fā)揮了兩種接地方式的優(yōu)勢，既保證了低頻信號的穩(wěn)定性，又有效抑制了高頻噪聲的干擾。

實際應用中的處理要點

接地路徑設計

在開關電源的 PCB 布局中，要精心設計數(shù)字 GND 和功率部分 GND 的接地路徑。對于功率部分 GND，由于其承載大電流，接地路徑應盡量短而寬，以降低線路電阻和電感，減少電壓降和電磁干擾?？梢圆捎么竺娣e的銅箔作為功率部分 GND 的接地平面，確保電流能夠均勻分布。對于數(shù)字 GND，要避免與功率部分 GND 的接地路徑交叉，防止功率電路的干擾耦合到數(shù)字電路中。在一個功率為 100W 的開關電源中，通過將功率部分 GND 的接地路徑寬度增加到 5mm，并采用多層 PCB 板的內層作為大面積接地平面，同時將數(shù)字 GND 的布線遠離功率部分 GND，有效降低了功率電路對數(shù)字電路的干擾，提高了電源的可靠性。

隔離與濾波

為了進一步減少數(shù)字 GND 和功率部分 GND 之間的相互干擾，可以采用隔離和濾波措施。在數(shù)字電路和功率電路之間使用光耦或磁耦進行信號隔離，使兩者的地電位相互獨立，避免干擾的傳播。在數(shù)字 GND 和功率部分 GND 的連接路徑上，加入共模電感和電容組成的濾波電路，對共模干擾進行抑制。在一個工業(yè)控制用的開關電源中，通過在數(shù)字電路和功率電路之間使用光耦隔離，并在 GND 連接線上加入共模電感和電容，將功率電路對數(shù)字電路的干擾降低了 20dB 以上，提高了電源在復雜工業(yè)環(huán)境中的抗干擾能力。

接地電阻與電感控制

要嚴格控制數(shù)字 GND 和功率部分 GND 的接地電阻和電感。接地電阻過大會導致地電位升高，增加干擾的風險;電感過大則會在高頻時影響接地效果。在選擇接地材料時，應選用低電阻的導體，如銅材。在 PCB 布線中，盡量減少接地引線的長度和彎曲，降低電感。對于功率部分 GND，可以采用多層 PCB 板，增加接地層的面積，降低接地電阻和電感。在一個通信設備的開關電源中，通過優(yōu)化接地材料和布線，將數(shù)字 GND 和功率部分 GND 的接地電阻降低到 0.1Ω 以下，電感降低到 10nH 以下，有效提高了電源的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

開關電源中數(shù)字 GND 和功率部分 GND 的處理需要綜合考慮兩者的特性差異，靈活運用單點接地、多點接地和混合接地等方法，并在實際應用中注重接地路徑設計、隔離與濾波以及接地電阻和電感控制等要點。通過合理的接地處理，能夠有效降低電磁干擾，提高開關電源的性能和可靠性，滿足不同應用場景對電源質量的要求。隨著電子技術的不斷發(fā)展，開關電源的設計也在不斷演進，對于數(shù)字 GND 和功率部分 GND 的處理方法也將持續(xù)優(yōu)化，以適應更高的性能需求和更復雜的電磁環(huán)境。