電路設(shè)計中的“地”

電路設(shè)計中的“地”怎么設(shè)計，怎么連接一直是是硬件工程師在設(shè)計和調(diào)試過程中經(jīng)常會遇到的挑戰(zhàn)之一。雷卯對地簡單闡述如下：

一、“地”的種類和作用

雷卯在實際電路設(shè)計中，基本上會用到如下三種類型“地”。

·信號地 (Signal Ground)。

信號地又分為：數(shù)字地和模擬地，電源地也可以歸為模擬地的一種。信號地基本上存在于我們的電路板中。

·保護地(Protective Ground/Earth)。

大多存在于交流和高壓的產(chǎn)品中，很多情況下我們把大地Earth 作為保護地，是從產(chǎn)品的安全角度考慮的接地類型。

·機殼地(Chassis Ground)。

產(chǎn)品中接地的金屬外殼或者接地的金屬部件。

二、接“地”常見問題

1、接地電阻過大：當接地電阻過大時，會導致接地系統(tǒng)失效或不穩(wěn)定，無法正常排除設(shè)備的電荷和故障電流。這可能會引起設(shè)備故障、信號干擾或觸電風險。硬件工程師需要通過合適的接地設(shè)計和維護，確保接地電阻符合規(guī)范要求。

2、地線回流問題：在復雜電路中，可能存在地線回流問題。這種問題通常是由于地線路徑不良或地線回流電流過大造成的，會導致信號干擾、噪聲增加以及設(shè)備性能下降。硬件工程師需要仔細分析電路，并采取適當?shù)拇胧﹣斫鉀Q地線回流問題。

3、地線共享問題：在某些情況下，多個設(shè)備可能共享同一地線。如果這些設(shè)備的接地方式不一致或接地電勢差較大，可能會導致地線干擾和回路閉合問題。硬件工程師需要注意設(shè)備之間的接地一致性，并采取適當?shù)拇胧﹣肀苊獾鼐€共享問題。

4、靜電放電問題：靜電放電是在接地不良或者無接地情況下常見的問題。當設(shè)備或電路受到靜電影響時，可能會發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，導致設(shè)備損壞或故障。硬件工程師需要采取合適的防靜電措施，如使用靜電防護設(shè)備、設(shè)計合理的接地系統(tǒng)等，以減少靜電放電問題的發(fā)生。

遇到這些問題怎么解決呢，雷卯EMC小哥分享自己在EMC整改中一些經(jīng)驗總結(jié)。

三、數(shù)字地和模擬地如何連接?

·理論一

很多的設(shè)計者都知道有這樣的一個理論，在我們的電路板中，應該把數(shù)字地和模擬地分開，從而來減小數(shù)字電路和模擬電路之間的干擾。

（圖一）

如圖一這個所示的，綠色部分是電路板，黃色這兩個區(qū)域分別代表了數(shù)字地和模擬地，這個理論認為數(shù)字地和模擬地的兩個鋪地平面應該徹底分割開來，然后在電路板上的某一個點上通過一個元件來連接。這個元件可以是一個零歐姆電阻，或者是一個電容，電感或磁珠。到底使用哪種元件，需要根據(jù)電路實際情況和EMC測試結(jié)果來決定。

·理論二

（圖二）

在電路板的某一點上直接使用銅箔連接數(shù)字地和模擬地，就如圖二所示。

以上兩種理論基本上是同一種類型，主要是主張數(shù)字地和模擬地在大部分的區(qū)域是需要分開的，然后在電路板上的某一個地方通過單點進行連接，這個單點連接的地方正是數(shù)字電路和模擬電路互相有交集及互相進行通訊的地方。所有通訊的信號就將以這一部分的地作為一個參考的平面。圖一中這一部分信號將找不到任何一個參考的局面，也就是說這一部分信號將跨越。

通過一些實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以上這兩種分割數(shù)字地和模擬地的方法并不能很好的提升信號的質(zhì)量，特別是對于高頻信號而言，因此，越來越多的設(shè)計者開始相信第三章理論。

·理論三

如下圖所示：

在電路板上，并不區(qū)分數(shù)字地和模擬地，而是使用一個完整的接地面，但在電路元件布局中盡可能的把數(shù)字電路和模擬電路分開放置。那么數(shù)字電路和模擬電路之間的分隔我們需要遵循20H這樣一個準則，H代表的是在電路板的層疊堆疊中，信號層到接地層的距離。

EMC小哥更推薦此種接地方法，當然也要具體電路具體分析。

（圖三）

四、機殼地如何連接

1. 機殼地與大地連接 - 保護作用。

在我們的系統(tǒng)中如果有保護用的大地，需要將機殼地和大地進行連接。

這種情況一般是發(fā)生在包含了交流電源的產(chǎn)品中。需要連接的原因主要是從安全的角度來考慮。

2. 機殼地與金屬屏蔽殼的接插件連接 - 屏蔽作用。

下面來看來看如何將機殼地連接到帶有金屬屏蔽殼的接插件上。

對于這樣的接插件，我們要盡可能的將其金屬屏蔽殼和機殼地之間進行360度全方位的粘合，這樣做是為了對信號起到一個屏蔽的效果。

3.機殼地與靜電放電地

電子設(shè)備接插件的靜電放電地通常應該連接到設(shè)備的機殼地(Chassis Ground)或系統(tǒng)的地線上。比如USB接口用到防靜電ESD 元件 USBLC6-2SC6 , 建議它的地與USB插座地連接，并連接到機殼地上，靜電放電地連接到機殼地上，可以確保靜電放電時的電荷通過機殼地導向地面，消散靜電電荷，保護設(shè)備和電路。

4.機殼地與電路板信號地連接

機殼地和電路板上的信號地的連接有兩種方式，單點連接和多點。這個地方其實存在爭議的地方，不同的設(shè)計者會支持并選用不同的方式，在這里呢，先來簡單的介紹一下這兩種不同的方法。

·單點接地

如上圖所示，灰色的這一圈代表的是一個機殼，而綠色的這個是電路板，這四個黃顏色的圈代表的是電路板上的安裝孔，在這個圖中，只有左上角這一個安裝孔是接地的，其他三個安裝孔和地之間沒有連接，機殼體和信號地之間只有唯一的連接點。這樣做的目的是為了避免形成地的回路，而實驗發(fā)現(xiàn)，這樣的設(shè)置往往在直流和低頻電流中顯得比較有效。而在高頻電路中多點接地的方式可以更有效的抑制電磁噪聲，同時多點接地的方式在直流和低頻電路中也不會使電路的性能變得更差。

·多點接地

上圖顯示的就是多點連接，在電路板上四個安裝孔，電路板上的信號地和機殼地之間有四個連接點，這種多點連接方式主要有兩個作用。

第一，通過減小傳遞阻抗的方式，來減小地平面上的電壓差，共模電流，從而抑制電磁噪聲，在很多情況下，這個共模電流或者說共模電壓，它們是造成EMC問題的一個主要原因。

第二，高速信號的電路板中高頻電壓所產(chǎn)生的噪聲，很大程度上會從地平面的邊緣發(fā)射出來。將這個信號地和機殼地多點連接，就可以平衡在地平面上不同位置上所產(chǎn)生的一個高頻電壓，從而提高電路的抗干擾能力。

EMC 小哥更推薦多點接地。

在我們使用多點連接的方法的時候，我們需要注意連接點的位置。

第一、是在電路板上這個地平面的每一個角都需要有一個連接點。

第二、個在設(shè)備對外每一個接口附近至少要有一個連接點。

第三、在產(chǎn)生高速信號的設(shè)備附近，至少要有一個連接點。

如有其它見解請聯(lián)系上海雷卯EMC小哥一起討論學習。上海雷卯電子專業(yè)為客戶提供電磁兼容EMC的設(shè)計服務(wù)，提供實驗室做摸底免費測試。