|
|
有幾次做培訓的時候，答疑期間屢屢被問到一個問題，“接地是產品安規設計和電磁兼容設計的一個極重要的問題，并且聽起來很簡單，幾乎每個設計者都在做，但真正做好的也不多，你能不能給出一種好的接地方法來，總結成放之四海而皆準的接地設計規律來”。提出此看法的工程師有電力電子設備的、醫療電子設備的、還有IC設計的和大型強弱電綜合系統集成的，這些不同的專業，又因為其應用環境的不同，產品特點的不同而導致了接地的各種特色。經過了半年多的思考提煉，我把接地的規律性、基礎性的思維方法總結出來，希望它能成為放之四海而皆可用的萬能鑰匙。
接地的定義是電流回流的最小阻抗路徑。此定義有點晦澀難懂，但它有一點是很明確的，它秉承了“有奶便是娘”的人生哲學，是典型的機會主義，哪條通路阻抗小，電流就往哪條路去，這一條提示我們注意：接地的導通通路未必就是我們所認為所設計的那條路徑，因為那條路徑可能不是最小阻抗的，千萬不要想當然認為我給你畫出了路子，你就必須得走。魯迅先生寫道“世上本沒有路，走的人多也便成了路”。所以電路設計中，要有意識的將可能但我們不希望產生電流接地通路的地方cut掉，讓電流走唯一的路徑到地，我們設計的措施也將會針對性強得多。
這里面有一個最簡單的設計例子，電路板的安裝柱一般用金屬的，并且習慣性的接到金屬殼上去，將電路板的信號地和外殼保護地接了起來，此方法正確與否下面會有專題探討，這里只說一點，安裝柱一般不會只有一個，這樣的原因，電流的回流路徑就可能不止一個了。信號連接器的外殼是否接地、屏蔽電纜層是否接地、金屬機箱的各組成殼體之間的接觸是否良好、外殼或固定電路板的金屬安裝板之間的連接阻抗是否足夠低，等等地方都會涉及到這個問題。所以地通路要做被設計者玩弄于股掌之間，運籌于帷幄之內。
地有幾個作用，在不同的地方作用可能不同，要識別清楚，因為不同用途的設計重點可能不同，就像男人，在單位的是經理，在家里是修理工。地主要有三個作用，信號回流、平衡電位、泄放電流。區別在哪呢？
回流就是去流信號要從地線回來，地線的阻抗大了會產生壓降引起信號失真、信號和地組成的環路會引入空間輻射干擾(右手定則可以分析出來)、非獨立地線(公用地線)會因為甲信號的波動導致地線漂移，而乙信號受到影響。如下圖：GA段和AB段是公共阻抗，電路1、電路2、電路3流經公共阻抗的回流信號會導致地線基準發生飄移，如果電路1和電路2之間發生了信號的傳遞，地線基準的不同將引起信號數據的失真。這個就是多點接地、單點接地、混合接地的問題。
如果是平衡電位的，地線各部分之間導通電阻就要足夠小，不然不能做到地電位的均衡性。如果是泄放電流的，就要保證入地阻抗足夠低，并且地線要能耐大電流，比如防雷接地的地線。
另一個就是靜電接地和普通接地的區別。一提到接地，都是阻抗越低越好，但對靜電接地不然，靜電接地阻抗一般在1M-1000M歐姆，原因是阻抗太高等同于絕緣，積累的電荷泄放不掉，這個道理與普通接地無異，但導通阻抗太低，泄放得太快也不是好事，因為在有用電路上積累的靜電荷，如果瞬間泄放的話，會導致不可控的電路上有瞬間尖峰電流通過，對芯片內部的走線、PCB的信號線、電氣接觸的觸點等地方會產生影響，導致不可見的累積性損傷，當時看不出來，日久年深出現問題，比如電容的漏電流超標就可能是其一個可能的后果。
雖然地的作用都是把電荷導入大地，那是否保護接地、防雷接地、信號接地是否可以接到一起。答案自然是不能，原因何在？雷電浪涌的釋放電流偏大，瞬間釋放，即使導通阻抗再低，也會產生很大壓降，這個電壓對其它弱信號的影響就大了。另外，這個電荷瞬間泄放不掉的話，還會反激到其他電路中去。打雷時家里電器被毀有一些就是這個因素。
接地設計還有個容易產生問題的誤區，我們常常把地接上了，萬用表一測，導通阻抗很低，就基本不會考慮接地的啥問題了，但正應了一句話“很多人不是死于疾病，而是死于治療本身”。這里面恰恰就有一個微觀的問題，接地線本身如果僅是一根銅線的話，雖然導通阻抗不高，但萬用表測出的僅僅是直流電阻，而線纜上是有電感的，低頻或直流時候，電感效應不明顯，在高頻的時候，接地線的高頻阻抗就很大了，地線上的高頻干擾不能被及時泄放掉，于是會產生電磁兼容問題，因為地線的波動會與信號端產生差模干擾。一般的專業接地設備、或在電磁兼容實驗室里，接地都用扁平金屬蛇皮電纜或寬的銅皮，其道理就是減小地線的電感效應，達到低高頻阻抗的目的。這是一個高頻思維的問題，要把它和直流思維分開。
多點接地、單點接地、混合接地到底哪一個好，這是一個已經爭論了很久，估計還將持續爭論下去的話題，給出一個經驗型的參考來。首先鼓勵單點接地，但當單點接地情況下，地線的長度大于或等于線上信號波長的1/20的時候，就不能單點接地了，要換成多點接地，且接地點之間的距離不超過信號波長的1/20。
曾經碰到過這樣一個案例，A設備接地良好，單機調試ok，在機房與B機信號電纜相連，只要一連上，空開就跳閘，漏電流超標，兩臺設備單獨用時都沒問題。這是一個系統接地和單機接地的問題。這在具體設計時候進行控制和分析即可，沒有太特別的地方。只是注意盡量不要為其他設備提供輔助電源，盡量考慮現場接地不良情況下對機器可能的影響，因為接地不良經常存在。
以上簡單論述了接地幾個需要注意的地方，也是比較常見的問題和誤區。希望引起足夠的警惕，避免“沉舟側畔千帆墮，病樹前頭萬木枯”的局面發生起來。
作者：武曄卿 |
|
發表于 2010-6-13 10:56:37
收藏
頂
踩
發表于 2010-6-19 19:47:15
