|
资深电子工程师的分享:接地技术
! |% ^1 ]+ d9 F9 Y8 g# l6 \ . C* ~( ]' _6 U
5 F5 e9 ~8 H" Z$ @4 S7 w& P; s1 k
接地是电路设计中最基础的内容,但又是几乎没人说得清的,几乎每次的培训和交流都会有人问到“老师,有没有一种通用的接地方法可以参考啊?”如果想知道这个问题的答案请继续耐着性子读下去。
2 ^+ H- b2 ^2 k- r+ V5 E8 r" b. c( y3 }
. @1 W, H! W: S* M j% I我先给出一个斩钉截铁的答案:“没有”。那咋办呢,我们总不能像中国的厨师一样,教徒弟炒菜时,用到的配料都是“少许”“颜色微黄”“微焦”等感觉性词语吧,当然不是。为了更好的明了接地的技巧方法,下文中将不再讲究任何的文字技巧,而是一针见血的道出接地问题的本质来。
, q( n. G' F. A
0 l( k1 `* \8 ~: `" N9 q接地方式←接地目的←接地的功能,所以采取哪种接地方式,要看地是哪类地,这类地的作用目的是什么,这两个问题解决了,接地方式则可水到渠成。 2 n5 e0 U. ~- T! K3 r5 s
) v3 A) b1 ?7 E. O8 w4 P& G/ }& u
接地的目的决定了接地方式。同样的电路,不同的目的,可能都要采取不同的接地方式。这个观点一定记住。比如同样的电路,用在便携设备上,静电累积泄放不掉,接地的目的是地电位均衡;用在不可移动的设备上,一般会有安全接地措施,对静电泄放的接地目的是导通阻抗足够低,尤其是对于尖峰脉冲的高频导通阻抗。
) u! N$ [* o! q
4 L, T$ w8 d, T- Q一下讲解地的注意事项分成几个独*立的观点分别介绍,每一条的内容虽然简单,建议一定反复读上N遍,象面对一杯好茶,让心跳在60bpm以下的状态,细细的品,感觉其中的美感和内涵。然后才可能从简单的词语中悟出深刻的道理来。
9 _7 e- @; f: P2 s* W1 Y# J
' B. \4 J5 l- Y从性能分,接地分成四类: 9 N0 Z1 n5 m8 S4 B0 [ a, m
8 y- k% I% C6 G% k9 B
安全接地、工作接地(数字地、模拟地、功率器件地)、防浪涌接地(雷击浪涌、上电浪涌)、防静电接地。
( t( _3 L$ G& a8 a/ l# A9 ]+ W" r
2 k, t) W `1 ^3 a# R, O! L前文书中讲过,“接地的目的决定了接地方式”,目的即指其实现的功能。基本上所有的接地都可以归结到这四类里面来。每个接地前都要先明确该接地属于哪一种。 $ f) e; |' `6 D& { Q& ^. \
7 D5 b' `! Q: `& G
接地追求的目标是地阻抗低、地稳定、地均衡
) s& k" b, `0 a* b; F
8 z2 s3 _8 D: r地阻抗低很好理解,用粗的线缆即可,但有一个问题一定不能忽视,比如我通过一个大电感接地了,如果地线上跑的地电流的波动频率是 0.00000001Hz,这个大电感的感性效应表现得就很不明显,等同于直接接地了,但如果波动电流是1,000,000Hz的话,感抗=j ω L=j 2 π f L,就显得很大了,这种情况下,相当于高频接地很差。各位看官可能会说了,你胡来吧你,谁会用个大电感接地呢,第一是在某种状态下会有这种方式的,第二是即使不这样接个电感,普通电缆的走线电感在高频下也是不容忽视的。总结为一句话,低频接地 ≠ 高频接地。即低阻抗的接地要分析是属于高频还是低频的接地。
: C8 T% ~( \1 F0 X7 K V8 h5 h2 g
地稳定是比较好理解的,一般来说,接地阻抗足够低的话,地电流泻放容易,且不会在底线上产生啥子压降,就如一个超大的电容,电荷的海洋,具有无限宽广的胸怀,多少进来都波澜不惊。
U9 b/ m ?) J
# q1 V9 I4 N7 V5 b地均衡比较容易被忽视,对于一个信号来说,有用部分是两条线上的压差,如果地线漂移了,两条线上对地线的压差同等的上升或下降,即差模电压值维持不变,共模电压发生变化,其实电路功能是照常实现的。就像水涨船高,您比我高3cm,站在船上,船上浮了,您依然还是高我3cm。这种情况在静电防护的时候常用到,一个静电脉冲通过空气打到电路板上,针对局部的电路,距离远近的不同,肯定会导致产生静电感应的压差。这时候用一块金属板隔一下的话,即使该金属板浮空,对金属板后面的电路板来说,感应的将是均匀的电场,虽然感应干扰仍然存在,但起码电路上是基本均衡的。当然如果此金属板接地更好啦。当然共模电压一般不会维持住,因为传输线的阻抗不均匀,往往会转成差模电压干扰,地均衡的问题最好不要让我们面对,但没办法的时候,如浮地设备,不得不受到静电冲击的电路板,防护时候要考虑地均衡问题。1 H8 Y6 x7 \6 h2 d: n8 }
% X* k: C5 N+ ]8 x3 V3 m g. x+ b共地阻抗耦合干扰 4 K _" V9 S( r' x( o8 Y; d, c
' I& S. B$ J1 p: s
共地阻抗耦合干扰是接地里面每天都要面对的核心问题,并且几乎逃避不开。就像电影院里散场的时候,你从最里头的一号厅出来,没几个人,走来很通畅,突然二号厅也散场了,一下子通道就拥挤了,再继续前行,坏了,三号厅正在放观众入场,一下子,人流就波动起来了。这和共地阻抗是一个原理,信道相当于地线,人相当于电流。如果一、二、三号厅流动的人差不多,相互之间影响不太大,但如果3号厅是大厅,人员是一、二号厅的好多倍,那进出三号厅的人员将会对一、二号厅人员流动速度的影响很大。一、二、三号艇的客人都要走过的这段路就成了共地阻抗。 ! a3 }! t3 `1 W
/ L; g2 X8 a+ O3 W5 \0 z6 P
以下图为例,图1中,RAB段的电阻就是共地阻抗部分,流过这段的地电流Io、Ia、Id三部分在这段会相互影响;如果这三个电流差别较大,差出了1-2 个数量级的话,相互之间的影响就不可以忽视了,尤其是某个弱地电流支路是用于定量测量、放大或AD转换电路的时候;图2则把Id对另外两个之路的影响隔离掉了;图3则是三个地电流全部分别隔离了。
: [& s% R% y' @7 G; [# q
' M& c+ B& N4 |8 X3 ^/ h
8 U$ z8 ^3 M" C2 b( D" b! N0 _; S& [; O2 _
% b8 p7 s1 i- z/ |5 x6 Z7 R( w较通用型的接地方法 0 M( K( i8 T9 ~2 c
: P6 Q, n4 I$ B H9 ?
这个标题用了个“较”字,是有原因的,因为通用的接地方法根本不存在,这只是个基础的模型,真正使用中的时候,还需要结合实际情况灵活变通处理,就像语言,同样一句话“你讨厌”,用不同语气讲出的时候,传递的信息可是千差万别。 基本思路是,在设计上,把安全保护地、工作数字地、工作模拟地、工作功率地、雷击浪涌地、屏蔽地先确保各自独*立的单独连接,最后在系统联调的时候,再根据各地之间要解决的问题,即根据接地的目的,将这几个地按照下列的之间的联接方式处理下,连接方式包括:
t2 g: V, I* e; c r) X* ~5 E& n) x8 W7 G& x: A
a地——地间黄绿导线直联
' C* G" I$ ~* Q5 o& g- r
8 E J) A2 G) T这种接法最好理解,就是简单的使两个地可靠的低阻抗导通。但切记,此种接法仅限于中低频信号电路地之间的接法。因为这类导线上有一定的走线电感和走线电阻,对高频波动地电流,在电感作用下,电缆起到的是大阻抗的作用,相当于低频接地,高频下大阻抗接地了,基本不能实现高频下的可靠导通。# s$ B% Z0 K d+ ?8 {* @$ Q
3 o( `% R3 \/ v$ Z' C) e8 vb地——地间宽扁平电缆直联
) `/ `; J+ l, h* F( l- i. ~
2 S# b% T [/ Z% p1 _4 z扁平电缆主要是解决上面导线直联不能解决的问题,静电测试工作台的接地电缆不用直线就是这个道理,它在高频下可以实现地阻抗对地导通。 6 H- A3 W5 I; U: U& ^# [2 H
! k8 E; V& O |+ _5 d& D8 X9 uc地——地间大电阻连接
! s2 q, ~; R* S, c: Y% v& q8 X' D1 P2 I
大电阻的特点是一旦电阻两端出现压差,就会产生很弱的导通电流,把地线上电荷泻放掉之后,最终实现两端的压差=0V,这个特点在希望电荷泻放,但又不希望快速泻放的时候,会表现得淋漓尽致。生产工作现场的防静电台垫,导通电阻一般是106-109欧,就是这个目的。防静电台垫相当于是工作电路板的地与保护大地间的大电阻。 c地——地间电容连接 电容的特性是直流截止,交流导通,对希望实现这类功能的场合可以考虑采取此方法。比如一个开关电源供电的产品,外壳和保护接地连接,里面的电路板上的地有杂乱波动干扰,但又无处泻放的话,在24V、12V、5V等的直流电源地与保护接地间跨接大电容,波动可以被泻放掉,但直流成分能保证是较稳的;注意,这种情况下,保护地和外壳地的稳定不能保证的话,效果可能会适得其反欧。
5 i1 p) H! a- `4 o \; i" _* \; H5 E! B" d( h' E: m% Z) U9 T
d地——地间磁珠连接 9 p# s9 {. a4 f3 ]( q; o5 T
& a" E2 ^, w1 A" a( F$ H; ^在这里,磁珠的特性需要明确一下,很多工程师经常把磁珠与电感划等号,这是根本性错误。磁珠等同于一个随频率变化的电阻,它表现的是电阻特性,是耗损性质的;电感则是储能性质的,相当于销峰填谷。所以跨接磁珠的地之间一般是有快速小电流波动的状态,因为磁珠会饱和,电流太大了,它消耗不了。一般用在弱信号的地——地之间。
+ U! C5 ]0 f8 C" a4 g4 e! _
8 @/ f8 ^3 R8 o ]e地——地间电感连接 & Y* J) i$ @4 L) U- R
! S; P' q2 F+ O4 Y/ d8 a) ?1 C( C7 T: I
电感具有抑制电路状态变化的特性,通过电感的连接,可以销峰填谷,对于有较大电流波动的地——地,跨接电感可以解决这个问题。 8 l; \; q% R# e( j1 A/ L# r) ]
0 _$ B3 i6 K2 Y' ]" ?/ H
f地——地间小电阻连接 5 R' L% `4 L4 ~8 f7 J+ k9 E
& q! g7 C1 x- n6 W
小电阻要解决的问题是增加了一个阻尼,阻碍地电流快速变化的过冲,在电流变化时候,使冲击电流上升沿变缓,相当于晶振输出端、总线输出端为减少过冲振铃的匹配电阻。
! P* u6 y j4 f- P7 w8 m' j) |( ~! \" n* _7 B
安全地、防雷击浪涌接地的接法
) F# p, R4 L$ }; g
" ]3 e: t: Q7 ^/ r因为雷击浪涌、安全地的电流一般会远大于信号电流对人的危害,这两个接地建议分别单独接到大地,在真正的大地处单点相接,尤其是防雷击接地。
* ~- Z0 z: }/ M$ D h# n9 D6 ?5 n+ h5 i/ W N# \. H7 \1 ^1 N9 G
这篇文章耗时大约月余,各种思路一直盘旋于心,却有无从做起,在我的身上,也印证了接地这个问题与我们的关系,最熟悉又最陌生,最简单又最复杂,最易上路又最难达到终点。希望通过粗浅的总结,为我们浮在云里雾端的接地设计提供一个落地的云梯,使接地的设计真正能接到地气上来。 |
本帖子中包含更多资源
您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册安规
x
评分
-
查看全部评分
|