接地的概念及作用

它很難被標(biāo)準(zhǔn)化，通常靠工程師豐富的經(jīng)驗(yàn)，而且這個經(jīng)驗(yàn)也許在這個系統(tǒng)上行的通，而在那個系統(tǒng)上行不通。

那為什么會有接地這一說呢?

1820年以前，長距離的電磁電報系統(tǒng)都是用一根線來傳輸信號，然后用另一根線來傳輸回流信號。

1836年左右，一位名字為Carl August Steinheil的德國科學(xué)家，發(fā)現(xiàn)大地可以用來代替?zhèn)鬏敾亓餍盘柕牧硪桓€。

因此，接地的第一個應(yīng)用是在電報中發(fā)展起來的。

后來，電力工程師為了降低布線成本，在SWER電氣配電系統(tǒng)中，用大地作為回流。

所謂SWER，是single-wire earth-return的縮寫。大概結(jié)構(gòu)如下。

在了解閃電現(xiàn)象后，接地又有了另一種功能，就是避免雷電和靜電排放產(chǎn)生的危險。

閃電和靜電的電流回路也是大地，所以可以將電子設(shè)備與大地連接來接地，可以提供一條可控路徑，用來將電流傳導(dǎo)到大地。

慢慢地，接地就變?yōu)橐环N重要的設(shè)計需求。

20世紀(jì)信息時代，大規(guī)模分布式系統(tǒng)的開始普及，尤其是信息技術(shù)設(shè)備(ITE)網(wǎng)絡(luò)，而這些網(wǎng)絡(luò)包括許多電路和子系統(tǒng)。

受到早期電報系統(tǒng)采用大地作為回路的啟發(fā)，為了使分系統(tǒng)之間能夠可靠傳輸信號，設(shè)計者們在分系統(tǒng)之間建立了一個大型的公共信號參考結(jié)構(gòu)作為參考地使用。

第二次世界大戰(zhàn)后，人造和自然的EMI源增多，接地逐漸地開始起著控制電磁干擾的作用。

電子工程師們認(rèn)為接地做好了，EMI問題也就隨之解決了。

接地的作用

從上述演變可以看到，剛開始，接地只是為了系統(tǒng)能正常工作;后來，接地又多了一個功能，就是避免雷電和靜電釋放帶來的危險，提供可控的電流釋放通路;再后來，發(fā)現(xiàn)接地能夠有助于控制EMI干擾。

如今，電子產(chǎn)品的安全仍然是系統(tǒng)接地設(shè)計中的首要考慮。其次，則需要考慮系統(tǒng)的常規(guī)和EMI性能。

但是，也正是因?yàn)榻拥赜羞@么多作用，所以導(dǎo)致我們對接地操作很困惑。我們到底要怎么接地，才能符合各方面的要求呢。設(shè)計者們一直在尋找完美的接地方案，但是并沒有成功。

需要理解的接地的概念

1972年，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校公開了SPICE，如今，SPICE已經(jīng)成為整個電子設(shè)計工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)仿真工具，而SPICE使用"global ground"的概念。

有了“global ground”這個概念，電路中的其他節(jié)點(diǎn)具有明確的絕對電壓值，因此Kirchhoff電流定律(KCL)和Kirchhoff電壓定律(KVL)可以在仿真時實(shí)現(xiàn)。

在低頻電路中，"global ground"概念是OK的，因此，仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果吻合。

但是，這也會讓人有一種誤解，就是接地連接是不重要的，電壓可以在單根線上傳輸，而不需要回流路徑。

由于這種誤解，設(shè)計人員可能會著重關(guān)注信號和電源網(wǎng)絡(luò)，而忽視地和回流。而這種忽視，是EMC、高速信號和電源完整性上產(chǎn)生問題的根本原因。

有時候進(jìn)行電路原理圖仿真時，很容易給人一種錯覺，就是接地是一種單向操作，所有的噪聲，干擾，只要接到地上，它們就隨著地消失了。

但其實(shí)接地是雙向的，當(dāng)電流流進(jìn)地時，電流還會在其他地方從地中流出。

比如說，這個噪聲明明是在哪個地方產(chǎn)生的，但是卻在這里出現(xiàn)了。

Ampere's Law告訴我們，電流是一個環(huán)路，必須回到它來的地方。

和電流路徑概念相關(guān)的，還有一個誤解，就是覺得可以將電流按照不同的類型進(jìn)行隔離，使得電流只在被允許的路徑上流動。

但是，電子真的會這么聽話么?

接地的阻抗

實(shí)際的接地系統(tǒng)，接地連接點(diǎn)之間的阻抗非零，所以系統(tǒng)中的噪聲電流會在接地系統(tǒng)中引入噪聲電壓。比如說，閃電產(chǎn)生的電流，在非零阻抗的接地系統(tǒng)中，可能會產(chǎn)生幾千伏的電壓。

在考慮接地系統(tǒng)的性能時，需要考慮的是其的阻抗，即包括電阻和電抗。

在低頻，電阻占主導(dǎo);但是在高頻，電抗占主導(dǎo)。

審核編輯：湯梓紅