電源和地線的基本設(shè)計(jì)原則

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(huì)有人問到“老師，有沒有一種通用的接地方法可以參考啊?”如果想知道這個(gè)問題的答案，請(qǐng)繼續(xù)耐著性子讀下去。我先給出一個(gè)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(shí)，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(hào)時(shí)，地線的阻抗變化會(huì)增大，因而產(chǎn)生噪聲。

同樣的問題對(duì)電源線也一樣。當(dāng)?shù)鼐€噪聲嚴(yán)重的時(shí)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(shí)，屏蔽箱體必須接地。否則，一旦發(fā)生漏電，人接觸時(shí)會(huì)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(huì)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(shí)，地線的電感會(huì)大幅增加，阻抗也會(huì)大幅增加，同時(shí)也會(huì)成為環(huán)狀天線。地線是較長直線時(shí)，也會(huì)成為天線。尤其地線出現(xiàn)環(huán)路時(shí)，地線的電感會(huì)大幅增加，阻抗也會(huì)大幅增加，同時(shí)也會(huì)成為環(huán)狀天線。地線是較長直線時(shí)，也會(huì)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(dòng)作時(shí)會(huì)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：空的地方盡可能的布成地或穩(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(shí)，一般一面空白處全布成地，另一面布電源和信號(hào)線。四層以上的PCB板，一般都會(huì)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(gè)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(gè)大天線，收噪聲、發(fā)噪聲。

3、AC交流頻率本身也會(huì)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(duì)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(duì)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。

變壓器1級(jí)卷線和2級(jí)卷線加屏蔽效果一般；

變壓器 + 電源濾波器 效果很好；

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(xiǎn)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(duì)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(gè)電磁開關(guān)放在入口的話，如果能用一個(gè)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(hào)的地線之間擁有共同阻抗。否則，AC電源的共模噪聲就會(huì)引到信號(hào)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(shí)，每塊電路板分別使用DC電平轉(zhuǎn)換對(duì)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(shí)可通過噪聲。如果板子的噪聲特性要求較高時(shí)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(shí)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(duì)低頻模擬信號(hào)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(duì)高頻信號(hào)電路應(yīng)大面積布地（信號(hào)線層的空處全布地，信號(hào)層的相對(duì)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(jí)。二級(jí)去耦電容要盡量靠近IC否則效果就會(huì)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(huì)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(hào)線的往返兩根線要越接近越好。

? 盡量用對(duì)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(shí)要盡可能地短，容易相互影響的信號(hào)線不要臨近，不同的排線不要平行使用束線和排線時(shí)要盡可能地短，容易相互影響的信號(hào)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(gè)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(gè)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(dòng)的設(shè)備上，一般會(huì)有安全接地措施，對(duì)靜電泄放的接地目的是導(dǎo)通阻抗足夠低，尤其是對(duì)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?；旧纤械慕拥囟伎梢詺w結(jié)到這四類里面來。每個(gè)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(gè)問題一定不能忽視，比如我通過一個(gè)大電感接地了，如果地線上跑的地電流的波動(dòng)頻率是0.00000001Hz，這個(gè)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(dòng)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(huì)說了，你胡來吧你，誰會(huì)用個(gè)大電感接地呢，第一是在某種狀態(tài)下會(huì)有這種方式的，第二是即使不這樣接個(gè)電感，普通電纜的走線電感在高頻下也是不容忽視的?？偨Y(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(huì)在底線上產(chǎn)生啥子壓降，就如一個(gè)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(duì)于一個(gè)信號(hào)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(duì)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(shí)候常用到，一個(gè)靜電脈沖通過空氣打到電路板上，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(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，地均衡的問題最好不要讓我們面對(duì)，但沒辦法的時(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(duì)的核心問題，并且?guī)缀跆颖懿婚_。就像電影院里散場的時(shí)候，你從最里頭的一號(hào)廳出來，沒幾個(gè)人，走來很通暢，突然二號(hào)廳也散場了，一下子通道就擁擠了，再繼續(xù)前行，壞了，三號(hào)廳正在放觀眾入場，一下子，人流就波動(dòng)起來了。這和共地阻抗是一個(gè)原理，通道相當(dāng)于地線，人相當(dāng)于電流。如果一、二、三號(hào)廳流動(dòng)的人差不多，相互之間影響不太大，但如果3號(hào)廳是大廳，人員是一、二號(hào)廳的好多倍，那進(jìn)出三號(hào)廳的人員將會(huì)對(duì)一、二號(hào)廳人員流動(dòng)速度的影響很大。一、二、三號(hào)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(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。

4、較通用型的接地方法

這個(gè)標(biāo)題用了個(gè)“較”字，是有原因的，因?yàn)橥ㄓ玫慕拥胤椒ǜ静淮嬖?，這只是個(gè)基礎(chǔ)的模型，真正使用中的時(shí)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(shí)候，傳遞的信息可是千差萬別?；舅悸肥?，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：

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(gè)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(hào)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(duì)高頻波動(dòng)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(tái)的接地電纜不用直線就是這個(gè)道理，它在高頻下可以實(shí)現(xiàn)地阻抗對(duì)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(huì)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(gè)特點(diǎn)在希望電荷瀉放，但又不希望快速瀉放的時(shí)候，會(huì)表現(xiàn)得淋漓盡致。生產(chǎn)工作現(xiàn)場的防靜電臺(tái)墊，導(dǎo)通電阻一般是10^6-10^9歐，就是這個(gè)目的。防靜電臺(tái)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(duì)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(hào)，這是根本性錯(cuò)誤。磁珠等同于一個(gè)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(chǔ)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(dòng)的狀態(tài)，因?yàn)榇胖闀?huì)飽和，電流太大了，它消耗不了。一般用在弱信號(hào)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(duì)于有較大電流波動(dòng)的地——地，跨接電感可以解決這個(gè)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(gè)阻尼，阻礙地電流快速變化的過沖，在電流變化時(shí)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?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。

接地這個(gè)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(gè)落地的云梯，使接地的設(shè)計(jì)真正能接到地氣上來。

審核編輯：湯梓紅