|
|
资深电子工程师的分享：接地技术
0 r7 R' u' O* z+ E5 B 1 x+ @! @$ M4 o& y8 X- D& `
. P2 E6 K4 @' L W+ r( F
% X5 W* G4 n# w6 l" l o F
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。
; Q1 \* a; ^6 g
6 H/ ?& R" P' K. F' b2 E! w4 a" {3 q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。 / _8 P) \, H. \" Q; v# Z
4 a6 N0 ^1 D; B g. n, O9 K0 A/ e4 ~0 A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。 ) N$ P8 @" m, e- Q0 C
& K0 \( B8 r& T8 P5 t5 X" i
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。 . S8 [; U- ] w$ e
/ {5 P8 y1 g, w6 q: g/ y: }" {) `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。
( N% B9 y- L+ H4 g- L5 n7 z0 l
+ t C4 {: K! L9 L$ D从性能分，接地分成四类： # ^# x+ L |! O: [. _" y
. ?+ G+ C q7 n# p* {
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。 % I; f( b+ r% p9 Q0 N4 Z' p
- k5 E) [; u4 `2 }( U# C, @0 ~- D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。 3 M$ E* p+ v* r' b) |
: L2 Y3 X0 u. d' l4 P Q
接地追求的目标是地阻抗低、地稳定、地均衡
& P% [5 H |% d! t& d
1 Z. o+ p$ Q7 Z" O$ M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。 ( z7 F& w0 ~8 T+ f
7 h1 k$ |, g: h: R3 g- M
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。 3 j( [- i+ t* s. a0 b' n
8 Z4 _; Y; |3 Z; T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。0 L. }" B; W* W$ S' ?
7 h& h( y- c6 X' i共地阻抗耦合干扰 2 E2 q X& y8 ^. I k( l( j4 o3 E! R# M
/ S5 ?0 X1 J! j# v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。
& @/ b; L+ n E4 S
( ?& W$ v4 q/ F7 b! L- m2 _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。
8 n, }5 r5 Q9 e9 K, X' N, r* M+ O0 g( _+ q2 H
# y6 X$ Q0 E# v6 \
- G9 D" [+ \/ Z$ V7 N
8 k$ Z( T6 R! x3 s% ]
较通用型的接地方法 7 U' D% ]. C: {1 q
9 L" D: k4 Z! |2 k7 p6 x
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：
2 H& R4 C t7 V
, Q3 a/ o$ u* ]" _a地——地间黄绿导线直联
& |: u/ f5 q2 z% ^: |' i5 l
* G1 e% P- Z( r) E" o0 R; o6 M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。. \& i- c: z% U& Z- Q
& }0 \6 g3 _4 }% ~% zb地——地间宽扁平电缆直联 1 Y% K4 E1 M' o
7 c* A2 V# }& c" z2 C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。
5 r. a% o o8 b" _+ G" ^0 q/ Z% P6 P8 }5 C
c地——地间大电阻连接 : |% E% J% n M6 V3 T3 O: l/ Y& x& S
& a, U3 U H3 l$ w( M: J% R$ K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。 ! U7 e5 S T' T9 G/ X" s" }5 X
4 y1 M3 Z5 o3 N5 G% R3 M6 v, U
d地——地间磁珠连接
5 z0 r; V; Y; ~; D" B# `
j; j2 u( V' s3 A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。 6 _7 R* f, j9 g
7 |" |" u7 k: \! j$ Y% We地——地间电感连接
: r* ~' v4 c$ P5 q
0 B8 v. e0 q2 U' E0 a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。
& }9 K7 h" J c3 T0 a/ Q
# X) e/ h( ~8 Gf地——地间小电阻连接 9 S# \6 [9 B; w6 U# M2 w S
( t$ L9 C) d- `0 _2 |. o0 @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。 . {6 c! E( ]& o$ o( Z" j
% O7 ~$ \ s% k: Y安全地、防雷击浪涌接地的接法
; ^) J! O8 u0 B3 p3 i; J: w% L2 V* T
/ K* g) Z0 B- S0 F. g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。
2 ~0 ^7 i, z X6 c7 V# U) B
& w/ \- t# `( ^7 g! V# m' a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，没有账号？注册安规
x
评分
-
查看全部评分
|
/1 
|关于安规|小黑屋|安规QQ群|Archiver|手机版|安规网
( 粤ICP13023453-10 ) 
窥视卡
雷达卡
发表于 2010-6-4 09:06
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
抢沙发
千斤顶
显身卡
