地線和電源線，接地問題的本質(zhì)

接地是電路設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的內(nèi)容，但又是幾乎沒人說得清的，幾乎每次的培訓(xùn)和交流都會有人問到“老師，有沒有一種通用的接地方法可以參考?。俊比绻胫肋@個問題的答案，請繼續(xù)耐著性子讀下去。我先給出一個斬釘截鐵的答案：“沒有”。那咋辦呢，我們總不能像中國的廚師一樣，教徒弟炒菜時，用到的配料都是“少許”“顏色微黃”“微焦”等感覺性詞語吧，當(dāng)然不是。

第一部分、基本電源和地線的基本設(shè)計(jì)原則

地線和電源線的噪聲 理想的地線電阻為零，但現(xiàn)實(shí)中地線總是有一定的阻抗的。尤其是高頻信號時，地線的阻抗變化會增大，因而產(chǎn)生噪聲。 同樣的問題對電源線也一樣。當(dāng)?shù)鼐€噪聲嚴(yán)重的時候，電源噪聲一般也很嚴(yán)重。 （1）使地線的電位穩(wěn)定。 （2 ）為了安全。 地線和箱體接地的目的是什么？ 尤其有高電壓（數(shù)十伏以上）的電路時，屏蔽箱體必須接地。否則，一旦發(fā)生漏電，人接觸時會觸電。

導(dǎo)線的高頻阻抗

導(dǎo)線越粗電阻越小，但如果長度太長的話，由于電感效果而使得阻抗也會增加電感效果而產(chǎn)生的阻抗。電感效果而產(chǎn)生的阻抗尤其地線出現(xiàn)環(huán)路時，地線的電感會大幅增加，阻抗也會大幅增加，同時也會成為環(huán)狀天線。地線是較長直線時，也會成為天線。尤其地線出現(xiàn)環(huán)路時，地線的電感會大幅增加，阻抗也會大幅增加，同時也會成為環(huán)狀天線。地線是較長直線時，也會成為天線。

因此，地線應(yīng)盡量“短、粗、直”。

大地是指？

大地并不見得非得是地球，尺寸比較大的導(dǎo)電體也可以作為大地，如飛機(jī)機(jī)體。下圖中，更低阻抗接到比較大的導(dǎo)電體的方案更好，b要比a好。

原則一：不要做出共通阻抗

回路A是回路B和回路C的共通阻抗?；芈稟動作時會影響到回路B 和回路C

原則二：單點(diǎn)接地

所有的電路部分盡可能地一點(diǎn)接地。即使共同阻抗非常小，但是仍然有影響。

單點(diǎn)接地效果更好

原則三：空的地方盡可能地布成地或穩(wěn)定的電源

右邊為非走線區(qū)域GND覆銅，有明顯改善。

雙層板時，一般一面空白處全布成地，另一面布電源和信號線。四層以上的PCB板，一般都會把GND和電源做成內(nèi)電層，改善回路阻抗。

第二部分、AC電源的設(shè)計(jì)要求

AC電源線是個非常大的噪聲源！因?yàn)椋?/p>

1、AC電源線連接著很多儀器設(shè)備，互為噪聲源（開關(guān)電涌，電流變化噪聲等）

2、AC電源線本身是個大天線，收噪聲發(fā)噪聲。

3、AC交流頻率本身也會成為噪聲。

日本AC電源的品質(zhì)：紅：最高電壓；綠：平均電壓；黑：最低電壓；紫：頻率X2Hz。

AC電源浪涌噪聲

AC噪聲的基本對策——不讓噪聲進(jìn)入設(shè)備

AC濾波器特性

變壓器噪聲 變壓器分兩種：安全絕緣變壓器和噪聲對策變壓器安全絕緣變壓器未必噪聲特性就好。 變壓器噪聲：一般的AC電源變壓器頻率低因而尺寸大，所以耦合電容也很大，通過靜電誘導(dǎo)噪聲就可以穿過去。

1. 變壓器1級卷線和2級卷線加屏蔽 效果一般；

2. 變壓器 + 電源濾波器 效果很好；

3. 使用濾波型變壓器 效果最好。

AC電源布線

變壓器，電源濾波器，保險絲，電泳吸收器，開關(guān)等

應(yīng)該按什么順序連接？應(yīng)注意什么？

一般的排列順序：

問題：電源濾波器前的布線長，成為噪聲天線 。

開關(guān)產(chǎn)生的電泳噪聲直接傳到外面影響別的裝置。 正確的AC布線方法

1、電源濾波器前的布線要盡可能短。

2、箱內(nèi)的電線盡量用對雙絞線。

3、電線盡量沿墻壁走，有屏蔽效果。

4、電線加絕緣套。

5、電線不可以做出大的環(huán)路。

6、如果電源功率要求不大可用插口電源濾波器，這樣的話電泳吸收器放在其后。

7、如果必須要把開關(guān)離開AC入口的話，如果能用一個電磁開關(guān)放在入口的話，如果能用一個電磁開關(guān)放在AC入口附近那就最好了。

8、AC電源的噪聲主要是共模噪聲，共模噪聲濾波器的電容必須接地才能把共模噪聲放到地線去。因此，一定不要讓AC電源濾波器的地和儀器中信號的地線之間擁有共同阻抗。否則，AC電源的共模噪聲就會引到信號中去。

第三部分、直流電源和地

廣義的直流電源有兩種：線性電源：—簡單但效率低；開關(guān)DC電源：效率高但噪聲大。儀器中電路板較多時，每塊電路板分別使用DC電平轉(zhuǎn)換對抑制各板間噪聲的相互影響有好處

板內(nèi)電源

choke coil（KK）：扼流圈

引入地：來自接口插座的地線

引入的地線有ripple噪聲。如果板子的噪聲特性要求較高時可通過噪聲。如果板子的噪聲特性要求較高時可通過Choke Coil （KK）后再連到板內(nèi)。

引出電源：通過接口插座向板外部引出的電源有時需要通過Choke Coil （KK ）后再把電源引出。

? 電路板中的電源線和地線要盡可能使它們的共通阻抗小。

?對低頻模擬信號電路，盡量用一點(diǎn)接地，電源也盡量這樣做，不過電源的一點(diǎn)連接沒有地線的效果大。

?對高頻信號電路應(yīng)大面積布地（信號線層的空處全布地，信號層的相對應(yīng)的層盡量全布地），電源線也盡可能這樣做。實(shí)在不行可用多層板，中間層布成地和電源。

去耦電容的基本規(guī)則

去耦電容至少應(yīng)有兩級。二級去耦電容要盡量靠近IC否則效果就會下降。

第四部分、儀器箱體和布線

電磁騷擾傳播或耦合，通常分為兩大類：即傳導(dǎo)騷擾傳播和輻射騷擾傳播。通過導(dǎo)體傳播的電磁騷擾，叫傳導(dǎo)騷擾；通過空間傳播的電磁騷擾，叫輻射騷擾。

上圖傳染病的模型非常近似：

1、要盡量減少箱體上的孔和縫

最值得注意的是箱體的開門縫隙及箱板間的縫隙（即使水進(jìn)不去，但電磁波能進(jìn)去）。

箱體上如果有凸出來的金屬部，會引入噪聲

屏蔽箱材料：

原則上只要是導(dǎo)電性材料都可以，如金屬板，金屬薄膜，屏蔽金屬網(wǎng)，導(dǎo)電塑料。

走線要越短越好

? 信號線的往返兩根線要越接近越好。

? 盡量用對繞線。

? 不要形成環(huán)路。

? 相互容易產(chǎn)生影響的線盡量使它們直交。

?使用束線和排線時要盡可能地短，容易相互影響的信號線不要臨近，不同的排線不要平行使用束線和排線時要盡可能地短，容易相互影響的信號線不要臨近，不同的排線不要平行。

? 特別要注意的是：AC 線不要和其它線接近。

第四部分、接地問題的本質(zhì)

為了更好的明了接地的技巧方法，下面將不再講究任何的文字技巧，而是一針見血的道出接地問題的本質(zhì)來。

接地方式←接地目的←接地的功能，所以采取哪種接地方式，要看地是哪類地，這類地的作用目的是什么，這兩個問題解決了，接地方式則可水到渠成。接地的目的決定了接地方式。同樣的電路，不同的目的，可能都要采取不同的接地方式。這個觀點(diǎn)一定記住。比如同樣的電路，用在便攜設(shè)備上，靜電累積泄放不掉，接地的目的是地電位均衡;用在不可移動的設(shè)備上，一般會有安全接地措施，對靜電泄放的接地目的是導(dǎo)通阻抗足夠低，尤其是對于尖峰脈沖的高頻導(dǎo)通阻抗。

1、 從性能分，接地分成四類：安全接地、工作接地（數(shù)字地、模擬地、功率器件地）、防浪涌接地（雷擊浪涌、上電浪涌）、防靜電接地。前文書中講過，“接地的目的決定了接地方式”，目的即指其實(shí)現(xiàn)的功能。基本上所有的接地都可以歸結(jié)到這四類里面來。每個接地前都要先明確該接地屬于哪一種。

2、 接地追求的目標(biāo)是地阻抗低、地穩(wěn)定、地均衡。

地阻抗低很好理解，用粗的線纜即可，但有一個問題一定不能忽視，比如我通過一個大電感接地了，如果地線上跑的地電流的波動頻率是0.00000001Hz，這個大電感的感性效應(yīng)表現(xiàn)得就很不明顯，等同于直接接地了，但如果波動電流是1000000Hz的話，感抗=j ω L=j 2 π f L，就顯得很大了，這種情況下，相當(dāng)于高頻接地很差。各位看官可能會說了，你胡來吧你，誰會用個大電感接地呢，第一是在某種狀態(tài)下會有這種方式的，第二是即使不這樣接個電感，普通電纜的走線電感在高頻下也是不容忽視的。總結(jié)為一句話，低頻接地 ≠ 高頻接地。即低阻抗的接地要分析是屬于高頻還是低頻的接地。

地穩(wěn)定是比較好理解的，一般來說，接地阻抗足夠低的話，地電流瀉放容易，且不會在底線上產(chǎn)生啥子壓降，就如一個超大的電容，電荷的海洋，具有無限寬廣的胸懷，多少進(jìn)來都波瀾不驚。地均衡比較容易被忽視，對于一個信號來說，有用部分是兩條線上的壓差，如果地線漂移了，兩條線上對地線的壓差同等的上升或下降，即差模電壓值維持不變，共模電壓發(fā)生變化，其實(shí)電路功能是照常實(shí)現(xiàn)的。就像水漲船高，您比我高3cm，站在船上，船上浮了，您依然還是高我3cm。這種情況在靜電防護(hù)的時候常用到，一個靜電脈沖通過空氣打到電路板上，針對局部的電路，距離遠(yuǎn)近的不同，肯定會導(dǎo)致產(chǎn)生靜電感應(yīng)的壓差。這時候用一塊金屬板隔一下的話，即使該金屬板浮空，對金屬板后面的電路板來說，感應(yīng)的將是均勻的電場，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維持住，因?yàn)閭鬏斁€的阻抗不均勻，往往會轉(zhuǎn)成差模電壓干擾，地均衡的問題最好不要讓我們面對，但沒辦法的時候，如浮地設(shè)備，不得不受到靜電沖擊的電路板，防護(hù)時候要考慮地均衡問題。

3、 共地阻抗耦合干擾

共地阻抗耦合干擾是接地里面每天都要面對的核心問題，并且?guī)缀跆颖懿婚_。就像電影院里散場的時候，你從最里頭的一號廳出來，沒幾個人，走來很通暢，突然二號廳也散場了，一下子通道就擁擠了，再繼續(xù)前行，壞了，三號廳正在放觀眾入場，一下子，人流就波動起來了。這和共地阻抗是一個原理，通道相當(dāng)于地線，人相當(dāng)于電流。如果一、二、三號廳流動的人差不多，相互之間影響不太大，但如果3號廳是大廳，人員是一、二號廳的好多倍，那進(jìn)出三號廳的人員將會對一、二號廳人員流動速度的影響很大。一、二、三號艇的客人都要走過的這段路就成了共地阻抗。

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

4、較通用型的接地方法

這個標(biāo)題用了個“較”字，是有原因的，因?yàn)橥ㄓ玫慕拥胤椒ǜ静淮嬖?，這只是個基礎(chǔ)的模型，真正使用中的時候，還需要結(jié)合實(shí)際情況靈活變通處理，就像語言，同樣一句話“你討厭”，用不同語氣講出的時候，傳遞的信息可是千差萬別?；舅悸肥牵谠O(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)的時候，再根據(jù)各地之間要解決的問題，即根據(jù)接地的目的，將這幾個地按照下列的之間的聯(lián)接方式處理下，連接方式包括：

a、地——地間黃綠導(dǎo)線直聯(lián)

這種接法最好理解，就是簡單的使兩個地可靠的低阻抗導(dǎo)通。但切記，此種接法僅限于中低頻信號電路地之間的接法。因?yàn)檫@類導(dǎo)線上有一定的走線電感和走線電阻，對高頻波動地電流，在電感作用下，電纜起到的是大阻抗的作用，相當(dāng)于低頻接地，高頻下大阻抗接地了，基本不能實(shí)現(xiàn)高頻下的可靠導(dǎo)通。

b、地——地間寬扁平電纜直聯(lián)

扁平電纜主要是解決上面導(dǎo)線直聯(lián)不能解決的問題，靜電測試工作臺的接地電纜不用直線就是這個道理，它在高頻下可以實(shí)現(xiàn)地阻抗對地導(dǎo)通。

c、地——地間大電阻連接

大電阻的特點(diǎn)是一旦電阻兩端出現(xiàn)壓差，就會產(chǎn)生很弱的導(dǎo)通電流，把地線上電荷瀉放掉之后，最終實(shí)現(xiàn)兩端的壓差=0V，這個特點(diǎn)在希望電荷瀉放，但又不希望快速瀉放的時候，會表現(xiàn)得淋漓盡致。生產(chǎn)工作現(xiàn)場的防靜電臺墊，導(dǎo)通電阻一般是10^6-10^9歐，就是這個目的。防靜電臺墊相當(dāng)于是工作電路板的地與保護(hù)大地間的大電阻。c地——地間電容連接 電容的特性是直流截止，交流導(dǎo)通，對希望實(shí)現(xiàn)這類功能的場合可以考慮采取此方法。比如一個開關(guān)電源供電的產(chǎn)品，外殼和保護(hù)接地連接，里面的電路板上的地有雜亂波動干擾，但又無處泄放的話，在24V、12V、5V等的直流電源地與保護(hù)接地間跨接大電容，波動可以被泄放掉，但直流成分能保證是較穩(wěn)的；注意，這種情況下，保護(hù)地和外殼地的穩(wěn)定不能保證的話，效果可能會適得其反哦。

d、地——地間磁珠連接

磁珠的特性需要明確一下，很多工程師經(jīng)常把磁珠與電感劃等號，這是根本性錯誤。磁珠等同于一個隨頻率變化的電阻，它表現(xiàn)的是電阻特性，是耗損性質(zhì)的；電感則是儲能性質(zhì)的，相當(dāng)于削峰填谷。所以跨接磁珠的地之間一般是有快速小電流波動的狀態(tài)，因?yàn)榇胖闀柡?，電流太大了，它消耗不了。一般用在弱信號的地——地之間。

e、地——地間電感連接

電感具有抑制電路狀態(tài)變化的特性，通過電感的連接，可以削峰填谷，對于有較大電流波動的地——地，跨接電感可以解決這個問題。

f、地——地間小電阻連接

小電阻要解決的問題是增加了一個阻尼，阻礙地電流快速變化的過沖，在電流變化時候，使沖擊電流上升沿變緩，相當(dāng)于晶振輸出端、總線輸出端為減少過沖振鈴的匹配電阻。

5、 安全地、防雷擊浪涌接地的接法

因?yàn)槔讚衾擞?、安全地的電流一般會遠(yuǎn)大于信號電流對人的危害，這兩個接地建議分別單獨(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。

接地這個問題與我們的關(guān)系，最熟悉又最陌生，最簡單又最復(fù)雜，最易上路又最難達(dá)到終點(diǎn)。希望通過粗淺的總結(jié)，為我們浮在云里霧端的接地設(shè)計(jì)提供一個落地的云梯，使接地的設(shè)計(jì)真正能接到地氣上來。