硬件電路設(shè)計(jì)之接地問(wèn)題

01簡(jiǎn)介

在電路設(shè)計(jì)中，“接地”是一個(gè)無(wú)法避免的問(wèn)題。接地需要考慮的主要因素：使用場(chǎng)景，不存在通用的接地方式。本文我們將以一種通俗易懂的方式談?wù)劷拥貑?wèn)題的本質(zhì)。

02接地分類

接地目的決定了接地的方式，從接地的性能上來(lái)說(shuō)，接地主要可分為以下四類：

安全接地 。

工作接地 。

浪涌接地 。

靜電接地 。

03接地目的

接地的主要目的主要有三大類，分別為對(duì)地阻抗低、地平面穩(wěn)定、對(duì)地均衡。接下來(lái)，主要從這三個(gè)方面展開(kāi)說(shuō)明：

對(duì)地阻抗低

分析 ：

低頻信號(hào)從信號(hào)平面流到地平面時(shí)，大電感相當(dāng)于導(dǎo)線直接接地，此時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的特性就是低阻抗。

高頻信號(hào)從信號(hào)平面流到地平面時(shí)，大電感呈現(xiàn)出較大的阻抗，測(cè)試表現(xiàn)出來(lái)的特征就是高阻抗。

地平面穩(wěn)定

地穩(wěn)定是對(duì)地的阻抗足夠大，電流比較容易直接泄放到地，同時(shí)在導(dǎo)線上幾乎不會(huì)產(chǎn)生壓降。將像遼闊的海洋中，匯入多少條河流都波瀾不驚。

對(duì)地均衡

對(duì)于電源或者信號(hào)，對(duì)于我們真正有價(jià)值的往往是它們之間的壓差。存在一種場(chǎng)景，一個(gè)電路當(dāng)受到外部的干擾時(shí)，兩個(gè)平面上的電壓整體上升（差模電壓保持不變，共模電壓增大），具體見(jiàn)下圖。其實(shí)電路通常依然能正常工作，并且這種場(chǎng)景其實(shí)我們常會(huì)遇到。

一個(gè)靜電脈沖通過(guò)空氣打到電路板上，針對(duì)局部的電路，距離遠(yuǎn)近的不同，肯定會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生靜電感應(yīng)的壓差。這時(shí)候用一塊金屬板隔一下的話，即使該金屬板浮空，對(duì)金屬板后面的電路板來(lái)說(shuō)，感應(yīng)的將是均勻的電場(chǎng)，雖然感應(yīng)干擾仍然存在，但起碼電路上是基本均衡的。當(dāng)然如果此金屬板接地更好啦。當(dāng)然共模電壓一般不會(huì)維持住，因?yàn)閭鬏斁€的阻抗不均勻，往往會(huì)轉(zhuǎn)成差模電壓干擾，地均衡的問(wèn)題最好不要讓我們面對(duì)，但沒(méi)辦法的時(shí)候，如浮地設(shè)備，不得不受到靜電沖擊的電路板，防護(hù)時(shí)候要考慮地均衡問(wèn)題。

04共地耦合干擾

共地耦合干擾這個(gè)是處理接地的核心問(wèn)題。

在一個(gè)戲劇院里，有三個(gè)大廳分別大廳a、大廳b、大廳c，出口僅有一個(gè)。當(dāng)三個(gè)大廳同時(shí)三場(chǎng)時(shí)，大廳c的面積較大，容納的人也越多。那么大廳c內(nèi)部的 看客的 退場(chǎng)將會(huì)影響大廳a和大廳b內(nèi)部人員的退場(chǎng)。（大廳a、大廳b、大廳c相當(dāng)于三條對(duì)地的回流路徑，走道相當(dāng)于共地阻抗）

以下圖為例，圖1中，RAB段的電阻就是共地阻抗部分，流過(guò)這段的地電流Io、Ia、Id三部分在這段會(huì)相互影響；如果這三個(gè)電流差別較大，差出了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)的話，相互之間的影響就不可以忽視了，尤其是某個(gè)弱地電流支路是用于定量測(cè)量、放大或AD轉(zhuǎn)換電路的時(shí)候；圖2則把Id對(duì)另外兩個(gè)之路的影響隔離掉了；圖3則是三個(gè)地電流全部分別隔離了。

05常用接地方式

基本思路 ：在設(shè)計(jì)上，把安全保護(hù)地、工作數(shù)字地、工作模擬地、工作功率地、雷擊浪涌地、屏蔽地先確保各自獨(dú)立的單獨(dú)連接，最后在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的時(shí)候，再根據(jù)各地之間要解決的問(wèn)題，即根據(jù)接地的目的，將這幾個(gè)地按照下列的之間的聯(lián)接方式處理下，連接方式包括：

注意 ：因?yàn)槔讚衾擞俊踩氐碾娏饕话銜?huì)遠(yuǎn)大于信號(hào)電流對(duì)人的危害，這兩個(gè)接地建議分別單獨(dú)接到大地，在真正的大地處單點(diǎn)相接，尤其是防雷擊接地。

05系統(tǒng)接地思考

對(duì)于PE，電路設(shè)計(jì)過(guò)程中常使用阻容接地方式。很多系統(tǒng)直接兩PE和板載GND連接在一起，這種連接方式可以讓靜電以最快方式泄放至GND。

但是這種方式也存在弊端，兩個(gè)設(shè)備直接連接大地，對(duì)于整個(gè)大系統(tǒng)而言，會(huì)造成直流回環(huán)和交流回環(huán)，即回環(huán)連接會(huì)增大，這樣的系統(tǒng)更加容易引入干擾。并且對(duì)于安規(guī)來(lái)說(shuō)，漏電流也是有要求的，直接連接地，可能會(huì)存在較大的漏電流，在一些較大系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)與大地之間至少需要MΩ級(jí)別的電路。

對(duì)于電阻電容選型，封裝都為1206既可，需要使用高壓瓷片電容，耐壓2KV。如果對(duì)于安規(guī)要求比較嚴(yán)格，電容最好使用安規(guī)電容。對(duì)于而且對(duì)于系統(tǒng)地和機(jī)殼地的距離也有要求，比較通用的是華為流傳出來(lái)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)地和機(jī)殼地之間間距2mm。其實(shí)可以簡(jiǎn)單計(jì)算這個(gè)距離，按照電壓空氣擊穿的30KV/cm，所以2mm間距能夠保證6KV不會(huì)擊穿放電。

而且在設(shè)計(jì)海思平臺(tái)時(shí)候，華為手冊(cè)上建議對(duì)于浮地系統(tǒng)定位孔直接和機(jī)殼相連，對(duì)于需要接大地的設(shè)備，最好將地進(jìn)行隔離。

注意事項(xiàng)：

如果設(shè)備外殼良好接大地，那PCB應(yīng)該也與外殼良好的單點(diǎn)接地，這個(gè)時(shí)候工頻干擾會(huì)通過(guò)外殼接地消除，對(duì)PCB也不會(huì)產(chǎn)生干擾。

如果設(shè)備使用的場(chǎng)合可能存在安全問(wèn)題時(shí)，那必須將設(shè)備外殼良好接地。

為了取得更好效果，建議是設(shè)備外殼盡量良好接地，PCB與外殼單點(diǎn)良好接地；當(dāng)然如果外殼沒(méi)有良好接地，那還不如把PCB浮地，即不與外殼連接，因?yàn)镻CB與大地如果是隔離的（所謂浮地），工頻干擾回路阻抗極大，反而不會(huì)對(duì)PCB產(chǎn)生什么干擾。

多個(gè)設(shè)備之間需要互相連接的時(shí)候，盡量是每個(gè)設(shè)備外殼都與大地在單點(diǎn)良好接地，每個(gè)設(shè)備內(nèi)部PCB與各自外殼單點(diǎn)接地。

但是如果多個(gè)設(shè)備互相連接時(shí)候，設(shè)備外殼沒(méi)有良好接地，那就不如浮地，內(nèi)部PCB不與外殼接地。

機(jī)殼地可能并不是可靠的接地，如配電網(wǎng)中不符合安規(guī)，沒(méi)有地線；接地棒周圍土壤太干燥，接地螺栓生銹或松動(dòng)。

環(huán)境是存在電磁干擾的，工作環(huán)境中有大功率變壓器、大功率電機(jī)、電磁電爐、高壓電網(wǎng)諧波等。

PCB內(nèi)部是會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲的，如高頻開(kāi)關(guān)管、二極管、儲(chǔ)能電感、高頻變壓器等。