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導(dǎo)讀: 接地，是個(gè)很復(fù)雜的問題，一篇帖子很難說的清楚，同時(shí)還想從例子說起，以便能夠讓大家認(rèn)識(shí)到事物的本質(zhì)，對(duì)我這樣一個(gè)工科出身的硬件工程師來說還是有些難度，總怕表達(dá)不清楚或不到位，把大家引入歧途。 引言 接地，是個(gè)很復(fù)雜的問題，一篇帖子很難說的清楚，同時(shí)還想從例子說起，以便能夠讓大家認(rèn)識(shí)到事物的本質(zhì)，對(duì)我這樣一個(gè)工科出身的硬件工程師來說還是有些難度，總怕表達(dá)不清楚或不到位，把大家引入歧途。盡力吧，講的不當(dāng)?shù)牡胤剑Ｍ蠹殷w諒。 以下一些基本概念，后續(xù)將著重講工作地的設(shè)計(jì)和分析方法，因?yàn)椋ぷ鞯厥亲顝?fù)雜，也最容易在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中出錯(cuò)。當(dāng)然也是硬件工程師必須要搞清的東西。 基本概念 接地，比較直觀的就是接大地。實(shí)際上，接地是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的概念，接大地已經(jīng)不能清晰地描述系統(tǒng)接地的概念了。為了清楚表達(dá)接地的概念，可以引用亨利。奧特的定義：“接地是為電流返回其源提供的低阻抗通道”。 對(duì)于不同的應(yīng)用，有不同的理解，對(duì)于線路工程師來說，接地的含義通常是線路電壓的參考點(diǎn)；對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來說，它常常是機(jī)柜或機(jī)架；而對(duì)電氣工程師來說，它卻是綠色安全地線或接到大地的意思。 接地的作用 設(shè)計(jì)中接地往往基于各種理由，例如電力配電、安全、信號(hào)綜合、防雷、EMI和靜電放電等等。接地設(shè)計(jì)時(shí)，電流幅度和頻率是兩項(xiàng)關(guān)鍵因素，他們決定著接地應(yīng)采用何種方式以及系統(tǒng)對(duì)接地質(zhì)量要求的高低。根據(jù)接地需求的不同，接地的主要作用有： 防雷接地 把可能受到雷擊的物體和大地相接，以提供泄放大電流的通路稱之為防雷地。這種接地的目的很明確，就是防止人及物體遭到雷擊，這些物體可以是天線、大樓、電子或電氣設(shè)備等。 由于雷電放電電流一般是脈沖性的大電流（可高達(dá)上百千安），其上升沿可達(dá)到微秒量級(jí)（1-10 微秒，持續(xù)時(shí)間100 微秒以下），因此要求防雷接地的接地阻抗要小。為了避免雷擊電流引發(fā)機(jī)房設(shè)備之間的高電位差，要求設(shè)備之間特別是有電氣聯(lián)系或距離較近的設(shè)備進(jìn)行低電感和電阻搭接。 保護(hù)接地 保護(hù)接地就是為了保護(hù)設(shè)備、裝置、電路及人身的安全。因此，在設(shè)備、裝置、電路的底盤及機(jī)殼端一定要采取保護(hù)接地。因保護(hù)接地和人身安全相關(guān)，保護(hù)接地的方式在配電的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中以及安全規(guī)范都有嚴(yán)格規(guī)定。 保護(hù)地主要用以保護(hù)工頻故障電壓對(duì)人身造成的危害，其保護(hù)原理是：通過把帶故障電壓的設(shè)備外殼短路到大地或地線端，保護(hù)過程中產(chǎn)生的短路電流使熔絲或空氣開關(guān)斷開。保護(hù)地的工頻電阻要求較小，同時(shí)要求保護(hù)地的可靠性很高。從電源頻率的角度來看，如僅對(duì)人身安全的保護(hù)接地而言，可以不對(duì)保護(hù)地提出低電感的要求。 工作接地 工作地線是單板、母板或系統(tǒng)之間信號(hào)的等電位參考點(diǎn)或參考平面，它給信號(hào)回流提供了低的阻抗通道。信號(hào)質(zhì)量很大程度上依賴于工作接地質(zhì)量的好壞。由于受接地材料特性和其他技術(shù)因素的影響，接地導(dǎo)體的連接或搭接無論做的如何好，總有一定的阻抗，信號(hào)的回流會(huì)在工作地線上產(chǎn)生電壓降，形成地紋波，對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響；信號(hào)越弱，信號(hào)頻率越高，這種影響就越嚴(yán)重。盡管如此，在設(shè)計(jì)和施工中最大限度地降低工作接地導(dǎo)體的阻抗仍然是非常重要的。 屏蔽接地 屏蔽接地是和結(jié)構(gòu)息息相關(guān)的措施。電磁屏蔽時(shí)并不要求與大地連接，屏蔽結(jié)構(gòu)接到大地上更多的是安全等方面的需要。 為了防止電磁輻射和干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常采用結(jié)構(gòu)屏蔽的方法。為了使結(jié)構(gòu)有較好的屏蔽效能，要求對(duì)結(jié)構(gòu)箱體的開孔尺寸有一定限制，特別是通風(fēng)孔。但是電纜出線往往會(huì)破壞了這種屏蔽效能，因此要求電纜在出屏蔽體時(shí)與機(jī)柜連接。 防靜電接地 靜電的危害是眾所周知的，當(dāng)人手觸摸電子裝備時(shí)，由人體附帶的數(shù)以千伏的靜電電壓，會(huì)對(duì)設(shè)備中的電子器件發(fā)生放電，雖然靜電的能量不高，但產(chǎn)生的瞬時(shí)電流足夠大，有可能造成電子器件的損壞。 人體產(chǎn)生的高電壓靜電通過沒有接好大地的單板上安裝的金屬拉手條，會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，如果單板上的電子器件絕緣處理的不好，瞬態(tài)“大電流”足以破壞絕緣造成單板上器件的永久性損壞。如果在機(jī)箱上裝了防靜電手腕，在人體觸摸設(shè)備之前，通過防靜電手腕把靜電泄放到大地，以使人體和設(shè)備之間的電位相等從而達(dá)到保護(hù)的目的。 由于防靜電接地大多針對(duì)人和設(shè)備，因此在人體和設(shè)備之間增加保護(hù)電阻（如防靜電手腕中的電阻）防止機(jī)柜帶電對(duì)人身造成的可能傷害，當(dāng)然也可限制人體對(duì)地產(chǎn)生的靜電泄放電流，從而起到保護(hù)設(shè)備的作用。 接地根本目的就是改變共模電流的方向。 對(duì)于任何信號(hào)，都會(huì)選擇最小阻抗的路徑返回信號(hào)源端。那么如何選擇接地點(diǎn)硬件工程師必須認(rèn)真考慮，產(chǎn)品的EMC.HTM" target="_blank">EMC問題和單點(diǎn)、多點(diǎn)接地關(guān)系不大，接地主要是為了改變共模電流方向；接地位置不對(duì)，不僅解決不了干擾，反而會(huì)加大干擾，不如不接地。 產(chǎn)品中的外接電纜和接地線都是天線（又一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，這里就不討論天線的問題，留著其他帖子討論），對(duì)于干擾信號(hào)，即使沒有直接相連，也會(huì)由這些天線自動(dòng)接收外部干擾，以及對(duì)外產(chǎn)生*擾發(fā)射或傳導(dǎo)。 所以接地點(diǎn)的選擇依據(jù)就是避免這些干擾共模電流進(jìn)入板卡內(nèi)部，以下用一些圖表來說明： 圖1就是比較好的接地選擇點(diǎn)； 
圖1 就近接地地 圖2避免這樣的選擇，這樣的選擇輕者板卡工作異常，重則燒毀板卡；
圖2 最差接地點(diǎn) 對(duì)于一些浮地產(chǎn)品，同樣存在問題，因?yàn)楦〉刈柚共涣斯材８蓴_電流流入工作地。所以不要認(rèn)為浮地產(chǎn)品，特別是一些自帶電池的產(chǎn)品，就不需要考慮EMC問題，也許問題更嚴(yán)重。 從圖3可以看出，浮地對(duì)共模電流無能為力。
圖3 浮地的影響 接地-布局 我們?cè)谧霎a(chǎn)品時(shí)，除了需要考慮完成的功能，同時(shí)需要考慮產(chǎn)品的RAMS要求，同樣地EMC分析也是一個(gè)好的產(chǎn)品必須具備的步驟。什么是RAMS分析？怎樣分析？我會(huì)在討論完EMC問題后，為大家慢慢講解。今天重點(diǎn)說一說EMC設(shè)計(jì)中的布局。 一個(gè)產(chǎn)品，沒有一個(gè)好的布局是不可相像的。比如，機(jī)箱的每個(gè)面都有引線，暫不說帶來的EMC問題，就是從美觀和可安裝性上來說，就不可能成為一個(gè)好的產(chǎn)品。先從結(jié)構(gòu)上說起，我們布局時(shí)盡量把引線放在機(jī)箱對(duì)稱的兩側(cè)，最好的放在一側(cè)，這樣無論是外觀，還是可安裝性，都是上上之選。 下圖是一種不好的布局圖，也是最常見的。
不管是機(jī)籠，還是一塊整板，只要你邏輯功能圖都如上圖一樣，那么你就要注意了，右邊的電纜到達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)，不管你加不加C1，結(jié)果都是一樣的：產(chǎn)品不可能通過測(cè)試。 如果根據(jù)下圖修改，效果會(huì)好很多。
上圖最大的特點(diǎn)，就是一側(cè)布局。但這樣還是不夠，如果有大能量共模干擾耦合到電源線上，雖然能量不會(huì)通過板卡內(nèi)部，但干擾會(huì)在電纜接口部分形成局部電壓差，很可能燒毀電纜接口芯片，所以需要在電纜與芯片之間的導(dǎo)線上串一個(gè)幾十歐的電阻，并在電阻與接口芯片之間的信號(hào)線與信號(hào)參考地上加TVS 管。 接地實(shí)例分析--浪涌試驗(yàn)時(shí)為什么只燒毀功放板 有人問我：在做設(shè)備的浪涌試驗(yàn)時(shí)，其他的都沒有損壞，為什么只有離電源輸入端最遠(yuǎn)的功放板燒毀了？我也很納悶，等看過了他的布局圖，我樂了，因?yàn)槲乙卜高^同樣的錯(cuò)誤。 設(shè)備布局圖如下：
在分析前，先明確接地的概念，這里的接地，不是指安全地，而是特指參考地。因?yàn)镋MC測(cè)試所說的地就是參考地，是一個(gè)大面積的等電位的金屬板，這個(gè)金屬板接大地的線纜就是安全接地線。 這只是個(gè)簡(jiǎn)圖，原圖上沒有C1、C2、 C3、C4和C5，是我后期為了分析容易補(bǔ)上去的，電源輸入線的正負(fù)極之間肯定也有保護(hù)電路，如果大家感興趣，我們可以在后續(xù)文章里再重點(diǎn)討論。同樣，我們這里也不討論差模干擾，因?yàn)閷?duì)于浪涌，差模很容易解決。 在設(shè)備布局時(shí)，他考慮更多的是功能，對(duì)EMC設(shè)計(jì)考慮的太少。EMC里的接地的主要目的是改變共模干擾傳輸路徑，避免干擾電流流過敏感電路。 原圖的設(shè)計(jì)中針對(duì)浪涌的處理，靠的是工作地和機(jī)箱間的空氣間隙來保證。但是，對(duì)于高頻干擾信號(hào)，影響最大的是寄生參數(shù)，隔離電路只能阻斷差模信號(hào)，對(duì)共模干擾沒有阻隔能力。 從圖上可以看出，相對(duì)于輸入干擾信號(hào)，存在很多寄生通道，如C1、C2、 C3、C4和C5，因?yàn)槿魏涡盘?hào)的傳遞，都是閉環(huán)的，干擾信號(hào)肯定會(huì)通過這些寄生通道流回到干擾源，只是流過不同寄生通道的電流大小不同罷了。 當(dāng)電纜相對(duì)于參考地位10cm時(shí)，寄生電容為50pf/m，寄生電感是10nH/m。對(duì)于長(zhǎng)距離傳輸?shù)碾娎|，功放和外設(shè)之間的距離超過100米，這個(gè)時(shí)候，如果C1和C2也是寄生電容，那么C3和C4就是一個(gè)低阻抗的通路，浪涌共模干擾電流就通過大面積的背板流向功放板，然后通過C3流向參考地，功放板能保住那就見鬼了。 為什么控制板沒有問題呢？那是因?yàn)榭刂瓢鍥]有對(duì)地泄放通路，準(zhǔn)確地說對(duì)參考地的寄生電容太小，相對(duì)于功放板的輸出電纜，可以忽略不計(jì)。 分析到這里，大家應(yīng)知道怎么進(jìn)行EMC改造了吧，那就是在電源板上加上C1和C2。 C5和機(jī)箱接地點(diǎn)對(duì)本文分析影響不大，但它在其他應(yīng)用里影響相當(dāng)可以。 |
