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1.1 接地 任何電子或電氣電路都有一個基本屬性，即電路中呈現的電壓都有一個公共的參考點，這個公共點習慣上被稱為地。這個術語源自電氣工程實踐活動，在這些活動中參考點經常是指釘入大地的一顆銅釘。 這個點也可能是電源與電路之間的的一個連接點，此時這個點被稱為0V(零伏)軌，而地和0V通常是同義詞(有些令人困惑)。這樣，當我們談到5V電源或-12V電源或2.5V參考電壓時，這些電壓的參考點都是0V軌。 而實際地并不等同于0V。基于安全的原因，需要用地線將設備連接到大地，在正常工作中地線是不承載電流的。然而，本文中的“接地”一詞是按通常的意義使用的，包括安全地以及信號與電源返回路徑。 電路中出現問題的最大一個原因也許是將0V和地想當然認為是一樣的。事實上，在一個工作電路中只有一個點是真正的0V。“0V軌”的概念實際上是一種自相矛盾的說法。這是因為任何實際導體都有有限的非零電阻和電感，歐姆定律告訴我們，在非零阻抗的任何物體上流過的電流都將在這個物體兩端產生一個電壓。 一個工作中的電路將在指定為0V軌的這些導體中形成電流流動，因此如果軌的任何一點處于真正的0V(比方電源連線)，那么軌的其它部分將不等于0V。這種情況可以用圖1.1中的例子來解釋。 圖1.1 0V軌沿線的電壓。 假設0V導體具有10mΩ/英寸的電阻，A、B、C和D點分別間隔一英寸。那么A、B和C點相對于D點的電壓是： VC = (I1 + I2 + I3) × 10 mΩ = 400 μV VB = VC + (I1 + I2) × 10mΩ = 700 μV VA = VB + (I1) × 10mΩ = 900 μV 現在，經過上述深入淺出的介紹后，你可能會說，世界上存在成千上萬的電路，它們必定都有0V軌，但它們的工作看起來好得很，因此有什么問題呢？大多數情況下確實沒有問題。0V導體的阻抗是毫歐級別，電流是毫安，因此形成的幾百微伏的壓降根據不會損害到電路。0V加上500 μV還是非常接近0V，沒有人會擔心。 這樣的回答問題在于，很容易讓人忘記0V軌，并認為在所有條件下都是0V，但當電路發生振蕩或不能工作時會讓人大吃一驚。可能發生問題的那些條件是： ● 當測得的流動電流單位為安培而不是毫安或微安時； ● 0V導體阻抗的測量值單位為歐姆而不是毫歐時； ● 最終壓降不管值是多少，其數量級或配置情況都將影響到電路正常工作。 【系列文章】 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第三部分：[電路設計師指導手冊(3)：板間互連、星形接地及屏蔽] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線與串擾] 什么時候考慮接地 優秀的電路設計師的優秀品質之一是，知道何時需要慎重考慮這些條件，何時可以安全地忽略這些條件。通常的復雜性在于，你作為電路設計師可能不負責電路版圖，版圖設計要交給專門的版圖人員完成(他們又可能會將許多布線策略交給軟件包)。接地對版圖來說總是敏感的，不管是分立的布線還是印刷電路板，如果設計要求比較高，設計師就必須在這方面具備一定的知識，并進行有效控制。 這里的技巧是要確保你知道哪里有地返回電流在流動，這種流動有什么后果。或者如果這太復雜的話，確保不管這些電流在哪里流動，造成的不良后果最小。雖然上述評論的對象是0V和地線，因為它們是最被認可的，但問題的實質是普遍性的，適用于電流流經的任何導體。電源軌(或軌)是另外一種特殊情況，此時的導體阻抗可能會產生問題。 1.1.1 在一個單元內的接地 本文中提到的“單元”可以指單個電路板或一組電路板以及在同一個外殼內與之相連的其它線纜，因此你可以確定一個“局部”的接地點，比如主電源地的接入點。圖1.2給出了一個例子。 圖1.2 典型的單元內部走線機制。 假設如印刷電路板(PCB)1包含輸入信號調節電路，PCB2包含用于信號處理的微處理器，PCB3包含大電流輸出驅動器，比如用于繼電器或燈的驅動器。你可能不會把所有這些功能放在分開的板上，但如果按分開的方式考慮可以更容易描述和理解其中的原理。 電源單元(PSU)為前兩塊電路板提供低壓電源，為輸出電路板提供較高的電源。這是一種相當普遍的系統版圖，圖1.2可以用作說明好壞實踐的起點。 【系列文章】 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第三部分：[電路設計師指導手冊(3)：板間互連、星形接地及屏蔽] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線與串擾] 1.1.2 機箱地 首先需要注意的是，地線只連接到金屬機箱或外殼的一個點。所有需要連到機箱的地線都被引到這個點，這個點應該是專用于此目的的金屬螺柱。 這些連線有主電源安全地(后面會有更詳細的討論)、0V電源軌以及電源本身可能要求的任何屏蔽與濾波連接(如變壓器中的靜電屏蔽)。 機箱單點接地的目的是為了防止在機箱中形成循環電流1。如果使用多個接地點，即使存在另外一條電流返回路徑，機箱中也會有與之成比例的電流流動(圖1.3)。具體比例則取決于阻抗比，而阻抗又取決于頻率。 圖1.3 具有多個接地點的返回電流路徑。 這種電流很難預測，而且可能受到結構變化的影響，因此它們會產生極其意外又令人惱火的效應：可能花了很長時間去跟蹤振蕩或干擾問題，最后發現當機箱板上一顆不起眼的螺釘經過緊固后問題消失了。 機箱連接處會受腐蝕的影響，因此單元性能可能隨時間推移而劣化，而且會受機箱材料表面氧化的影響。如果你使用多點機箱接地，那么更加仔細地考慮機箱電氣結構就很有必要。 但是，當要求射頻屏蔽和/或低電感接地時，多點接地也許是必須的。 1.1.3 鋁的導電特性 由于鋁是一種輕量、堅固和高導電性的機箱材料，在整個電子行業中有著廣泛的應用——只有銀、銅和金具有更高的導電率。鋁機箱具有相當低的體電阻，因此非常適合用作導電接地端。 遺憾的是，鋁的另外一種屬性(在其它情況下非常有用)是它的表面很容易氧化，以致于所有實際使用的鋁材都覆蓋有一層氧化鋁(Al2O3)薄膜。氧化鋁是一種絕緣物質。事實上，它的絕緣性能相當好，以致于陽極電鍍鋁常用作散熱器上的絕緣墊圈，因為在這種鋁材表面通過化學處理方法專門生成了一層很厚的氧化膜。 這種品質的氧化鋁的實用結果是，連接在一起的兩層鋁之間的接觸電阻異常高。實際電氣接觸只是在氧化膜破裂的地方。因此無論何時只要你想保持由多片鋁板做成的機箱的導電連續性，你必須確保鋁板緊密地綁定在一起，最好采用焊接或緊固的方法，后者可以使用防震鋸齒形墊圈并使之深入鋁材表面。 接地點可以采用同樣的方法。最好的連接方式是壓接或焊接螺柱(因為鋁焊接起來比較困難) (圖1.4)，但如果這種方式不可用的話，可以在與鋁材接觸的螺母下面使用防震鋸齒形墊圈。 圖1.4：到鋁材的電氣連接。 【系列文章】 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第三部分：[電路設計師指導手冊(3)：板間互連、星形接地及屏蔽] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線與串擾] 其它材料 另外一種常用的機箱材料是鍍鎘或鍍錫的鋼材，這種材料不存在氧化的問題。低碳鋼的體電阻是鋁材的三倍，因此導電性不是太好，但它具有更好的磁屏蔽屬性，并且價格較低。 壓鑄型鋅材也非常流行，因為它重量輕，強度大，并且通過壓鑄工藝很容易做成復雜的形狀。鋅的導電性是銅的28%。在導電性為主、成本次要的場合(比如射頻電路)，還可以使用其它金屬，特別是鍍銀的銅。(在鍍銀層表面形成的)氧化銀優點是具有導電性，并且很容易焊接。表1.1給出了幾種金屬的導電性和溫度系數。 表1.1 幾種金屬的電導率。 1.1.4 接地環路 機箱單點接地的另外一個理由是，循環的機箱電流與其它接地線結合在一起時會產生所謂的“接地環路”，這是低頻磁感應干擾的一個重要來源。 磁場感應出的電流只能在閉環電路中流動。磁場廣泛存在于電源變壓器周圍——不僅是傳統的50Hz主變(美國是60Hz)，還有開關電源中使用的高頻開關變壓器和電感——以及其它電磁設備周圍，如電流接觸器、螺線管和風扇。同時還可能存在外部磁場。接地環路的感應機制如圖1.5所示。 圖1.5：接地環路。 楞次定律告訴我們，環路中感應的電動勢(EMF)是： V = -10-8 × A × n × dB/dt 其中A是單位為cm2的環路面積，B是假設均勻磁場條件下單位為μT的歸一化通量密度，n是匝數(單匝環路時n=1)。 舉個例子，在合理尺寸的主變壓器、電流接觸器或電機附近通常有一個10 μT 50Hz的磁場，它們以合適的角度穿過一個面積為10cm2的環路平面(這個平面是在長10cm的機箱上方1cm處安裝一段導體并在兩端接地的情況下形成的)，這時感應到的電動勢是： V = -10-8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t) = -10-8 × 10 × 1000π × cos ωt = 314 μV peak 磁場感應通常是一種低頻現象(除非你剛好非常靠近一臺大功率的無線發射器)，從這個例子可以看出，在大多數情況下感應到的電壓是很低的。但在低電平應用中，特別是音頻和精密儀器，這些電壓就變得相當顯著。如果輸入電路包含一個接地環路，干擾電壓將與有害信號一起直接注入進來，并且無法分離。解決這個問題的方法有： ● 通過只在一點接地打開環路 ● 通過將侵害線靠近地平面或機箱布線或直接短路來減少環路面積(上面公式中的A項) ● 通過重新調整環路或干擾源的位置或方向來減少歸一化到環路的磁通量 ● 減少干擾源，比如使用環形變壓器 【系列文章】 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第三部分：[電路設計師指導手冊(3)：板間互連、星形接地及屏蔽] 第四部分：[電路設計師指導手冊(4)：安全地以及電線/電纜] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線與串擾] |
