电接地(1)在原理图上看起来很简单;不幸的是，电路的实际性能是由其印刷电路板(PCB)布局决定的。更重要的是，地节点分析是困难的，特别是对于dc- dc转换器，如降压和升压电路，它们以大而快速变化的电流冲击地节点。当地节点移动时，系统性能会受到影响，并且会产生电磁干扰。但是，对地噪声的物理性质有一个很好的“接地”的理解，可以为减少这个问题提供一种直观的感觉。

地弹跳可以产生电压大小的瞬变;最常见的原因是磁通量的变化。带电流的线圈本质上是一个电磁铁，其磁场强度与电流成正比。磁通量与穿过环路的磁场成正比，

磁通量∝磁场×环路面积

或者更准确地说，

Φ(B) = BA cosφ

其中磁通量Φ(B)是磁场B，穿过表面环面积a，与该面积的单位矢量成Φ角。

图1给出了与电流相关的磁通量的含义。电压源推动电流通过电阻器并绕一圈导线。这个电流与环绕导线的磁通量有关。要把不同的量联系起来，可以想象用右手抓住导线(应用右手定则)。如果你用拇指指向电流的方向，你的手指就会沿着磁力线的方向缠绕导线。当这些磁力线通过回路时，它们的乘积就是磁通量，在这种情况下，磁通量直接进入纸张。

改变磁场强度或线圈面积，磁通量都会改变。随着磁通的变化，导线中感应到电压，电压与磁通的变化率d Φ(B)/ dt成正比。注意，固定回路和变化的电流或恒定电流和变化的环路面积，或两者都会改变磁通。

例如，假设图2中的开关突然打开。当电流停止流动时，磁通量就会崩溃，从而在导线上产生瞬时的大电压。如果电线的一部分是接地返回引线，那么应该在地的电压将会出现尖峰，从而在使用它作为接地参考的任何电路中产生错误信号。

一般来说，印刷电路板片电阻中的电压降并不是地面反弹的主要来源。1盎司铜的电阻率约为500 μ欧姆/平方，因此电流的1-A变化会产生500 μ V/平方的反弹，这仅适用于薄、长或菊花链接地或精密电子设备。

寄生电容器的充放电为大的瞬态电流返回地面提供了通道。这些电流变化引起的磁通量变化引起地面反弹。

在开关dc- dc变换器中，减少地弹跳的最好方法是控制磁通的变化——通过最小化电流回路面积和回路面积的变化。

在某些情况下，如图3所示，电流保持不变，但开关产生环路面积的变化，从而产生磁通的变化。在开关情况1中，一个理想电压源通过理想导线连接到一个理想电流源。电流在包含接地回路的回路中流动。

在情况2中，当开关改变位置时，相同的电流在不同的路径上流动。电流源是直流电，不改变，但环路面积改变。回路面积的变化意味着磁通量的变化，因此感应电压。由于地回路是变化回路的一部分，它的电压会反弹。

Buck变换器地反弹

为了便于讨论，图3中的简单电路与图4中的降压转换器类似，也可以变形为图4中的降压转换器。

在高频情况下，一个大的电容——比如降压输入电容，C(VIN)——看起来像一个直流电压源。同样，大输出降压电感L(buck)看起来像直流电流源。这些近似是为了帮助培养直觉。

图5显示了当开关在两个位置交替时，磁通量是如何变化的。

大L(BUCK)电感保持输出电流大致恒定。类似地，C(VIN)保持电压近似等于V(IN)，因此由于输入引线电感上的电压不变，输入电流也或多或少是恒定的。

虽然输入和输出电流大致恒定，但当开关从位置1移动到位置2时，电路中间部分的总环路面积迅速变化。这种变化意味着磁通量的快速变化，进而引起沿回线的地面反弹。

实际的降压转换器是由一对半导体开关组成的，如图6所示。虽然每幅图的复杂性都在增加，但对磁通量变化引起的地面弹跳的分析仍然简单直观。

磁通量的变化会沿着接地回路在各处产生电压，这一事实提出了一个有趣的问题:真正的接地在哪里?因为地面反弹意味着地面回线上的电压相对于一个称为地的理想点反弹，所以需要确定这个点。

在功率调节电路的情况下，真地需要在负载的低端。毕竟，dc- dc转换器的目的是为负载提供高质量的电压和电流。沿着电流回路的所有其他点都不是接地，只是接地回路的一部分。

由于地面位于负载的低端，并且由于回路面积的变化是导致地面反弹的原因，图7显示了如何通过减少回路面积变化的部分来仔细放置C(VIN)以减少地面反弹。

电容C(VIN)将高侧开关的顶部直接旁路到低侧开关的底部，从而缩小变化回路面积并将其与地回路隔离。从V(IN)的底部到负载的底部，从一种情况到另一种情况，没有环路面积或开关电流的变化。因此，地面回弹不会反弹。

PCB布局本身实际上决定了电路的性能。图8是图6中降压原理图的PCB布局。在情况1所示的开关位置，高位开关接通时，直流电流沿外侧红色回路运行。在案例2所示的开关位置，低侧开关打开后，直流电流现在遵循蓝色回路。注意环路面积的变化，因此，磁通量也在变化。所以，电压被感应，地面反弹。

为了清晰起见，该布局是在单个PCB层上实现的，但使用第二层固体地平面不会固定反弹。在展示改进的布局之前，图9给出了一个快速示例，说明实地平面可能不是一个好主意。

在这里，一个2层的PCB被构造，使旁路电容器在直角连接到顶层供应线。在左侧示例中，接地面为实心且未切割。顶部走线电流流过电容器，沿通孔向下，并出接地面。

因为交流电总是走阻抗最小的路径，所以地返回电流在返回源的路上绕过拐角。因此，当电流的大小或频率发生变化时，电流的磁场和相关的环路面积也会发生变化，因此磁通也会发生变化。电流倾向于沿着最容易的路径流动，这意味着即使是固体片状地平面也会发生反弹——不管它的导电性如何。

在右图的例子中，在地平面上精心设计的切口将把返回电流约束到最小的环路面积，并大大减少反弹。在被切断的返回线路中产生的任何残余反弹电压都与一般地平面隔离。

图10中的PCB布局使用图9所示的原理来减少地面反弹。设计了两层PCB，使输入电容器和两个开关都建在地平面上的孤岛上。

这种布局不一定是最好的，但它工作得很好，并说明了一个关键原则。注意，由红色的(情况1)和蓝色的(情况2)电流包围的环路面积很大。然而，这两个循环之间的差别很小。环路面积的小变化意味着磁通量的小变化——因此，地面反弹也小。(但是，一般来说，也要保持环路面积小——这个图努力说明匹配交流电流路径的重要性。)

此外，在地返岛，磁场和环路面积确实发生了变化，任何地返弹都包含在切口中。

同样有趣的是，输入电容C(VIN)乍一看可能不会位于高侧开关的顶部和低侧开关的底部之间，如图7所示，但仔细阅读会发现它是。虽然物理上的接近性可以很好，但真正重要的是通过最小化回路面积来实现的电气接近性。

升压变换器地反弹

升压变换器本质上是降压变换器的反射，如图11所示，它是输出电容，必须放置在高侧开关的顶部和低侧开关的底部之间，以最小化环路面积的变化。

审查

地面反弹电压主要是由磁通量的变化引起的。在直流-直流开关电源中，由于在不同电流环区域之间高速切换直流电，磁通发生了变化。但是，仔细放置降压/升压输入/输出电容器和对地平面的外科切割可以隔离反弹。然而，在切断接地平面时要小心，以避免可能增加电路中其他返回电流的环路面积。

此外，良好的布局将真正的地置于负载的底部，不改变回路面积或电流。任何其他有导电性的相关点都可以称为“地”，但它只是返回路径上的一个点。

地面分析的其他有用概念

如果你把下面这些基本的想法记在心里，你就会对什么会和不会引起地面反弹有一个很好的感觉。图12显示成直角交叉的导体不受磁相互作用的影响。

平行导线周围的磁场线携带相同方向的等量电流，在导线之间处处相互抵消，因此总存储能量小于单个导线所能发现的能量。由于这个原因，宽的PCB走线比窄走线电感更小。

平行导体周围的磁力线携带方向相反的等量电流，在导体外面处处抵消，在导体之间处处相加。如果内环面积可以变小，那么总磁通量，因此电感也会变小。这种行为解释了为什么交流地平面返回电流总是在顶部走线导体下流动。

图15显示拐角增加电感的原因。直线导体看到自己的磁场，但在一个角落，它也看到来自直角导体的磁场。结果，拐角储存更多的磁能，因此，比直线有更多的电感。

从图16可以看出，导线载流时对地平面的中断可以通过分流回流电流来增大环路面积，从而增大环路尺寸，有利于地反弹。

组件的方向很重要，如图17所示。

总结

地面反弹总是一个潜在的问题。对于显示器或电视来说，它可能意味着嘈杂的画面——对于音频设备来说，它可能意味着背景噪音。在数字系统中，它可能导致计算错误，甚至导致系统崩溃。

仔细估计寄生元素，然后进行详细的模拟，是预测地面弹跳强度的一种严格方法。但是，为了指导电路设计的直觉，有必要了解其起源背后的物理原理。

首先，设计PCB，使负载的低端是真正的接地点。

然后，通过用电流和电压源取代大型电感和电容器来简化电路动力学。寻找每个开关组合中的电流回路。使环重叠;在不可能的地方，小心地切割出一个小的接地回流岛，这样只有直流电流入和流出开口。

在大多数情况下，这些努力将提供可接受的地面性能。如果没有，请考虑地平面电阻，然后考虑寄生电容器流过所有开关并向下进入返回路径的位移电流。

无论何种电路，基本的接地原理都是一样的——改变磁通量需要最小化和/或隔离。