电路板的地直接与金属外壳相连的设计问题解答

前言

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

一、电容的作用从EMS（电磁抗扰度）角度说，这个电容是在假设PE良好连接大地的前提下，降低可能存在的，以大地电平为参考的高频干扰型号对电路的影响，是为了抑制电路和干扰源之间瞬态共模压差的。其实GND直连PE是最好的，但是，直连可能不可操作或者不安全，例如，220V交流电过整流桥之后产生的GND是不可以连接PE的，所以就弄个低频过不去，高频能过去的路径。从EMI（电磁干扰）角度说，如果有与PE相连的金属外壳，有这个高频路径，也能够避免高频信号辐射出来。 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。

二、电阻的作用

这个电阻可以防止ESD（静电释放）对电路板的损坏。假如只用电容连接电路板地和机壳地，则电路板是一个浮地系统。做ESD测试时，或在复杂电场环境中使用，打（进）入电路板的电荷无处释放，会逐渐累积；累积到一定程度，超过了电路板和机壳之间的绝缘最薄弱处所能耐受的电压，就会发生放电——在几纳秒内，PCB上产生数十到数百A的电流，会让电路因电磁脉冲宕机，或者损坏放电处附近连接的元器件。并联该电阻，就可以慢慢释放掉这个电荷，消除高压。根据IEC61000的ESD测试标准10s/次（10s放完2kV高压电荷），一般选择1M~2M的电阻。如果机壳有高压静电，则该大电阻也能有效降低电流，不会损坏电路芯片。

三、需要注意的问题点

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、多个设备之间需要互相连接的时候，尽量是每个设备外壳都与大地在单点良好接地，每个设备内部PCB与各自外壳单点接地；

5、但是如果多个设备互相连接时候，设备外壳没有良好接地，那就不如浮地，内部PCB不与外壳接地；

6、机壳地可能并不是可靠的接地，如配电网中不符合安规，没有地线；接地棒周围土壤太干燥，接地螺栓生锈或松动。

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。

审核编辑：郭婷