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1、接地--基本概念 引言 接地，是個很復雜的問題，一篇帖子很難說的清楚，同時還想從例子說起，以便能夠讓大家認識到事物的本質，對我這樣一個工科出身的硬件工程師來說還是有些難度，總怕表達不清楚或不到位，把大家引入歧途。盡力吧，講的不當的地方，希望大家體諒。 以下一些基本概念，后續將著重講工作地的設計和分析方法，因為，工作地是最復雜，也最容易在實際設計當中出錯。當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。實際上，接地是一個系統級的概念，接大地已經不能清晰地描述系統接地的概念了。為了清楚表達接地的概念，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”。 對于不同的應用，有不同的理解，對于線路工程師來說，接地的含義通常是線路電壓的參考點；對于系統設計師來說，它常常是機柜或機架；而對電氣工程師來說，它卻是綠色安全地線或接到大地的意思。 接地的作用 設計中接地往往基于各種理由，例如電力配電、安全、信號綜合、防雷、EMI和靜電放電等等。接地設計時，電流幅度和頻率是兩項關鍵因素，他們決定著接地應采用何種方式以及系統對接地質量要求的高低。根據接地需求的不同，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、電子或電氣設備等。 由于雷電放電電流一般是脈沖性的大電流（可高達上百千安），其上升沿可達到微秒量級（1-10 微秒，持續時間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機房設備之間的高電位差，要求設備之間特別是有電氣聯系或距離較近的設備進行低電感和電阻搭接。 保護接地 保護接地就是為了保護設備、裝置、電路及人身的安全。因此，在設備、裝置、電路的底盤及機殼端一定要采取保護接地。因保護接地和人身安全相關，保護接地的方式在配電的標準規范中以及安全規范都有嚴格規定。 保護地主要用以保護工頻故障電壓對人身造成的危害，其保護原理是：通過把帶故障電壓的設備外殼短路到大地或地線端，保護過程中產生的短路電流使熔絲或空氣開關斷開。保護地的工頻電阻要求較小，同時要求保護地的可靠性很高。從電源頻率的角度來看，如僅對人身安全的保護接地而言，可以不對保護地提出低電感的要求。 工作接地 工作地線是單板、母板或系統之間信號的等電位參考點或參考平面，它給信號回流提供了低的阻抗通道。信號質量很大程度上依賴于工作接地質量的好壞。由于受接地材料特性和其他技術因素的影響，接地導體的連接或搭接無論做的如何好，總有一定的阻抗，信號的回流會在工作地線上產生電壓降，形成地紋波，對信號質量產生影響；信號越弱，信號頻率越高，這種影響就越嚴重。盡管如此，在設計和施工中最大限度地降低工作接地導體的阻抗仍然是非常重要的。 屏蔽接地 屏蔽接地是和結構息息相關的措施。電磁屏蔽時并不要求與大地連接，屏蔽結構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，系統設計中常采用結構屏蔽的方法。為了使結構有較好的屏蔽效能，要求對結構箱體的開孔尺寸有一定限制，特別是通風孔。但是電纜出線往往會破壞了這種屏蔽效能，因此要求電纜在出屏蔽體時與機柜連接。 防靜電接地 靜電的危害是眾所周知的，當人手觸摸電子裝備時，由人體附帶的數以千伏的靜電電壓，會對設備中的電子器件發生放電，雖然靜電的能量不高，但產生的瞬時電流足夠大，有可能造成電子器件的損壞。 人體產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，會產生放電現象，如果單板上的電子器件絕緣處理的不好，瞬態“大電流”足以破壞絕緣造成單板上器件的永久性損壞。如果在機箱上裝了防靜電手腕，在人體觸摸設備之前，通過防靜電手腕把靜電泄放到大地，以使人體和設備之間的電位相等從而達到保護的目的。 由于防靜電接地大多針對人和設備，因此在人體和設備之間增加保護電阻（如防靜電手腕中的電阻）防止機柜帶電對人身造成的可能傷害，當然也可限制人體對地產生的靜電泄放電流，從而起到保護設備的作用。 2、接地-目的 接地根本目的就是改變共模電流的方向。 對于任何信號，都會選擇最小阻抗的路徑返回信號源端。那么如何選擇接地點硬件工程師必須認真考慮，產品的EMC問題和單點、多點接地關系不大，接地主要是為了改變共模電流方向；接地位置不對，不僅解決不了干擾，反而會加大干擾，不如不接地。 產品中的外接電纜和接地線都是天線（又一個知識點，這里就不討論天線的問題，留著其他帖子討論），對于干擾信號，即使沒有直接相連，也會由這些天線自動接收外部干擾，以及對外產生*擾發射或傳導。 所以接地點的選擇依據就是避免這些干擾共模電流進入板卡內部，以下用一些圖表來說明： 圖1就是比較好的接地選擇點； 
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 對于一些浮地產品，同樣存在問題，因為浮地阻止不了共模干擾電流流入工作地。所以不要認為浮地產品，特別是一些自帶電池的產品，就不需要考慮EMC問題，也許問題更嚴重。 從圖3可以看出，浮地對共模電流無能為力。
圖3 浮地的影響 3、接地-布局 我們在做產品時，除了需要考慮完成的功能，同時需要考慮產品的RAMS要求，同樣地EMC分析也是一個好的產品必須具備的步驟。什么是RAMS分析？怎樣分析？我會在討論完EMC問題后，為大家慢慢講解。今天重點說一說EMC設計中的布局。 一個產品，沒有一個好的布局是不可相像的。比如，機箱的每個面都有引線，暫不說帶來的EMC問題，就是從美觀和可安裝性上來說，就不可能成為一個好的產品。先從結構上說起，我們布局時盡量把引線放在機箱對稱的兩側，最好的放在一側，這樣無論是外觀，還是可安裝性，都是上上之選。
不管是機籠，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，右邊的電纜到達一定長度時，不管你加不加C1，結果都是一樣的：產品不可能通過測試。 如果根據下圖修改，效果會好很多。
上圖最大的特點，就是一側布局。但這樣還是不夠，如果有大能量共模干擾耦合到電源線上，雖然能量不會通過板卡內部，但干擾會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線上串一個幾十歐的電阻，并在電阻與接口芯片之間的信號線與信號參考地上加TVS 管。 4、接地--浪涌試驗時為什么只燒毀功放板 有人問我：在做設備的浪涌試驗時，其他的都沒有損壞，為什么只有離電源輸入端最遠的功放板燒毀了？我也很納悶，等看過了他的布局圖，我樂了，因為我也犯過同樣的錯誤。 設備布局圖如下：
打不開，請參考附件 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。因為EMC測試所說的地就是參考地，是一個大面積的等電位的金屬板，這個金屬板接大地的線纜就是安全接地線。 這只是個簡圖，原圖上沒有C1、C2、 C3、C4和C5，是我后期為了分析容易補上去的，電源輸入線的正負極之間肯定也有保護電路，如果大家感興趣，我們可以在后續文章里再重點討論。同樣，我們這里也不討論差模干擾，因為對于浪涌，差模很容易解決。 在設備布局時，他考慮更多的是功能，對EMC設計考慮的太少。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。 原圖的設計中針對浪涌的處理，靠的是工作地和機箱間的空氣間隙來保證。但是，對于高頻干擾信號，影響最大的是寄生參數，隔離電路只能阻斷差模信號，對共模干擾沒有阻隔能力。 從圖上可以看出，相對于輸入干擾信號，存在很多寄生通道，如C1、C2、 C3、C4和C5，因為任何信號的傳遞，都是閉環的，干擾信號肯定會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。 當電纜相對于參考地位10cm時，寄生電容為50pf/m，寄生電感是10nH/m。對于長距離傳輸的電纜，功放和外設之間的距離超過100米，這個時候，如果C1和C2也是寄生電容，那么C3和C4就是一個低阻抗的通路，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？那是因為控制板沒有對地泄放通路，準確地說對參考地的寄生電容太小，相對于功放板的輸出電纜，可以忽略不計。 分析到這里，大家應知道怎么進行EMC改造了吧，那就是在電源板上加上C1和C2。 C5和機箱接地點對本文分析影響不大，但它在其他應用里影響相當可以。本來想同時分析一下，但不知不覺，就寫了這么多，只好打住，也不知道說明白了沒有，呵呵。 5、接地-數字地和模擬地如何接？ 概述： PCB模擬地和數字的接法在很多資料里都有論述，基本大部分是從信號完整性的角度來進行講解。既然這個帖子是屬于EMC分析，所以，本帖子重點從EMC設計的角度進行論述。 接地的目的是為了引導干擾電流的方向，也就是說，一個好的結構布局保證設備對外*擾電流不流向電纜，外部對設備的干擾電流不流向核心電路。設備的通用接地點一般靠近電源輸入口。 對于靜電測試，容易出現問題的地方一般出現在接口部分以及開口或接縫處，這里不討論其他問題，只討論模擬接地。 很多儀器儀表產品的基本結構如下圖所示：
上圖是一個典型接法，模擬地與機箱之間不是直接電連接，采用一點接地。在靜電測試中，模擬接口不可避免的會把能量接入模擬地，再通過接地點流向機箱（上幾篇文章詳細地論述了PCB板直接接機箱或浮地，結果是一樣的，只不過流過PCB的干擾電流大小的問題）。在靜電通過接地點時，在數字地和模擬地之間有一個△V的電壓差，相對于模擬器件（A/D,D/A），這個壓差就會影響到模擬器件的工作，A/D采集可能出現壞點，D/A輸出可能就有一個階躍，這在一些應用中就是致命的。 如果模擬地不是通過接地點與機箱相接，直接由螺釘連接，是不是就可以解決這個問題？結論是“可能”，不管你怎么連接，只能改變流向核心電路的能量大小，不可能完成避免。 如果改成下圖的結構，結果要好很多：
采用全鋪地，并且在模擬器件的旁邊，在兩個地之間加兩個接地螺釘，效果要好很多，能量就近泄放，不會像上圖一樣形成一個大的泄放環路，不會在兩個地之間形成電壓差（或非常小，在模擬器件的共模抑制能力范圍內），模擬器件在外部干擾下可以正常工作，順利通過各種針對信號線的測試。 這只是一個典型例子，其實，不管什么樣的結構，都可以近似于上圖的模型，進行EMC分析和改造，只要記得，接地的本質就沒問題。 6、接地-磁珠不要亂用 在很多文章中都有磁珠的介紹，其中覺得寫的比較透徹的是zjd01寫的“電感和磁珠兩兄弟的差別”。本文主要是從EMC應用角度來說明。 磁珠通常推薦應用在電源或信號線上來增強去耦效果，但在地之間的使用時一定要小心，特別是會有大能量干擾信號流過磁珠的應用場合。 記得在剛學習DSP設計時，師傅在DSP模擬部分應用是推薦一個電路，就是在數字電源和模擬電源上串兩個磁珠，然后加上濾波電容就OK了，很長一段時間，都奉為經典，直到接觸EMC設計時，才發現錯的有多厲害，也明白了當時的一些問題的癥結所在。
磁珠在干擾電流通過時呈現電阻特性，這個時候在磁珠的兩邊會有一個很大的△V，具體反映到DSP的模擬部分，A/D測量就會出現一個大的波動，不管你用什么濾波算法，在持續的干擾下，測量結果肯定是一塌糊涂。 所以在這些簡便應用中，地上一定不要加磁珠，直接短接就可以了。 7、接地-接地帶來的輻射 曾經見過下圖所示的接地方法，當時就傻了，當然輻射發射測試也沒有通過：
[/url]地是通過接線端子直接接到外部大地，屏蔽機箱直接接到接線端子，這個接法好像中規中矩。但是，任何導線都有電感和電容寄生參數，大家可以想象一下，在屏蔽機箱內部有一個很大的接地環路，這就是一個諧振電路，內部電路上的各種諧波就可以通過這個諧振電路通過接地線發射出去。 EMC整改的方法如下：
因為接線端子和機箱外部地線之間的連接被機箱隔斷，所以，內部干擾會被屏蔽在機箱內，對外輻射問題解決。 8、接地-信號線一定要使用屏蔽層嗎？ 曾經見過一個產品，信號輸出，采用變壓器隔離的，為了提高屏蔽效果，采用了雙端接地，但因為設備輸出是浮地的，機殼也是塑料材質，設備端接地采用下圖所示的接法，在做輻射發射試驗時超標。 設備端得接地是通過變壓器的中心抽頭串一個電容C1實現的，本意很好，但卻惡化了對外輻射發射性能。 對于內部電路，高頻信號會通過變壓器耦合電容C2之間耦合到信號線和屏蔽層上，因為信號線是雙絞線，所以兩條信號線的共模干擾互相抵消了。但因為有接地阻抗，在接地阻抗上就會有一個Vn電壓，屏蔽電纜就成為了單極天線，對外形成輻射，如下圖所示。
[/url]解決方法是使用普通電纜，這樣就去掉了發射天線，在輻射發射試驗中順利通過了測試。 |
