系统接地设计万能钥匙

作者：    来源：电子工程专辑

欢迎访问e展厅 展厅 1 电子产品展厅 平板电脑, 电子书阅读器, 笔记本电脑, IC卡设备, GPS/卫星导航系统, ... 有几次做培训的时候，答疑期间屡屡被问到一个问题，“接地是产品安规设计和电磁兼容设计的一个极重要的问题，并且听起来很简单，几乎每个设计者都在做，但真正做好的也不多，你能不能给出一种好的接地方法来，总结成放之四海而皆准的接地设计规律来”。提出此看法的工程师有电力电子设备的、医疗电子设备的、还有IC设计的和大型强弱电综合系统集成的，这些不同的专业，又因为其应用环境的不同，产品特点的不同而导致了接地的各种特色。经过了半年多的思考提炼，我把接地的规律性、基础性的思维方法总结出来，希望它能成为放之四海而皆可用的万能钥匙。 接地的定义是电流回流的最小阻抗路径。此定义有点晦涩难懂，但它有一点是很明确的，它秉承了“有奶便是娘”的人生哲学，是典型的机会主义，哪条通路阻抗小，电流就往哪条路去，这一条提示我们注意：接地的导通通路未必就是我们所认为所设计的那条路径，因为那条路径可能不是最小阻抗的，千万不要想当然认为我给你画出了路子，你就必须得走。鲁迅先生写道“世上本没有路，走的人多也便成了路”。所以电路设计中，要有意识的将可能但我们不希望产生电流接地通路的地方cut掉，让电流走唯一的路径到地，我们设计的措施也将会针对性强得多。 这里面有一个最简单的设计例子，电路板的安装柱一般用金属的，并且习惯性的接到金属壳上去，将电路板的信号地和外壳保护地接了起来，此方法正确与否下面会有专题探讨，这里只说一点，安装柱一般不会只有一个，这样的原因，电流的回流路径就可能不止一个了。信号连接器的外壳是否接地、屏蔽电缆层是否接地、金属机箱的各组成壳体之间的接触是否良好、外壳或固定电路板的金属安装板之间的连接阻抗是否足够低，等等地方都会涉及到这个问题。所以地通路要做被设计者玩弄于股掌之间，运筹于帷幄之内。 地有几个作用，在不同的地方作用可能不同，要识别清楚，因为不同用途的设计重点可能不同，就像男人，在单位的是经理，在家里是修理工。地主要有三个作用，信号回流、平衡电位、泄放电流。区别在哪呢？ 回流就是去流信号要从地线回来，地线的阻抗大了会产生压降引起信号失真、信号和地组成的环路会引入空间辐射干扰(右手定则可以分析出来)、非独立地线(公用地线)会因为甲信号的波动导致地线漂移，而乙信号受到影响。如下图：GA段和AB段是公共阻抗，电路1、电路2、电路3流经公共阻抗的回流信号会导致地线基准发生飘移，如果电路1和电路2之间发生了信号的传递，地线基准的不同将引起信号数据的失真。这个就是多点接地、单点接地、混合接地的问题。 如果是平衡电位的，地线各部分之间导通电阻就要足够小，不然不能做到地电位的均衡性。如果是泄放电流的，就要保证入地阻抗足够低，并且地线要能耐大电流，比如防雷接地的地线。 另一个就是静电接地和普通接地的区别。一提到接地，都是阻抗越低越好，但对静电接地不然，静电接地阻抗一般在1M-1000M欧姆，原因是阻抗太高等同于绝缘，积累的电荷泄放不掉，这个道理与普通接地无异，但导通阻抗太低，泄放得太快也不是好事，因为在有用电路上积累的静电荷，如果瞬间泄放的话，会导致不可控的电路上有瞬间尖峰电流通过，对芯片内部的走线、PCB的信号线、电气接触的触点等地方会产生影响，导致不可见的累积性损伤，当时看不出来，日久年深出现问题，比如电容的漏电流超标就可能是其一个可能的后果。 虽然地的作用都是把电荷导入大地，那是否保护接地、防雷接地、信号接地是否可以接到一起。答案自然是不能，原因何在？雷电浪涌的释放电流偏大，瞬间释放，即使导通阻抗再低，也会产生很大压降，这个电压对其它弱信号的影响就大了。另外，这个电荷瞬间泄放不掉的话，还会反激到其他电路中去。打雷时家里电器被毁有一些就是这个因素。 接地设计还有个容易产生问题的误区，我们常常把地接上了，万用表一测，导通阻抗很低，就基本不会考虑接地的啥问题了，但正应了一句话“很多人不是死于疾病，而是死于治疗本身”。这里面恰恰就有一个微观的问题，接地线本身如果仅是一根铜线的话，虽然导通阻抗不高，但万用表测出的仅仅是直流电阻，而线缆上是有电感的，低频或直流时候，电感效应不明显，在高频的时候，接地线的高频阻抗就很大了，地线上的高频干扰不能被及时泄放掉，于是会产生电磁兼容问题，因为地线的波动会与信号端产生差模干扰。一般的专业接地设备、或在电磁兼容实验室里，接地都用扁平金属蛇皮电缆或宽的铜皮，其道理就是减小地线的电感效应，达到低高频阻抗的目的。这是一个高频思维的问题，要把它和直流思维分开。 多点接地、单点接地、混合接地到底哪一个好，这是一个已经争论了很久，估计还将持续争论下去的话题，给出一个经验型的参考来。首先鼓励单点接地，但当单点接地情况下，地线的长度大于或等于线上信号波长的1/20的时候，就不能单点接地了，要换成多点接地，且接地点之间的距离不超过信号波长的1/20。 曾经碰到过这样一个案例，A设备接地良好，单机调试ok，在机房与B机信号电缆相连，只要一连上，空开就跳闸，漏电流超标，两台设备单独用时都没问题。这是一个系统接地和单机接地的问题。这在具体设计时候进行控制和分析即可，没有太特别的地方。只是注意尽量不要为其他设备提供辅助电源，尽量考虑现场接地不良情况下对机器可能的影响，因为接地不良经常存在。 以上简单论述了接地几个需要注意的地方，也是比较常见的问题和误区。希望引起足够的警惕，避免“沉舟侧畔千帆堕，病树前头万木枯”的局面发生起来。(end)

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