接地到底是什么、有哪些?沒(méi)有人給出標(biāo)準(zhǔn)答案。但是對(duì)于做產(chǎn)品的工程師而言,接地是實(shí)實(shí)在在擺在眼前的問(wèn)題,是不可回避的技術(shù)。借此機(jī)會(huì),鑒于個(gè)人理解,就來(lái)個(gè)接地漫談。
第一個(gè)問(wèn)題:接地首先要解決的是系統(tǒng)觀。
“PCB+接口+處理平臺(tái)+結(jié)構(gòu)”這是最基本的硬件系統(tǒng),而硬件系統(tǒng)是產(chǎn)品的根本。接地在每個(gè)環(huán)節(jié)中都至關(guān)重要。如果你的接地觀僅限于PCB板級(jí)接地,那么你就OUT了。除非你的PCB板不與其他模塊連接,你的產(chǎn)品不是用來(lái)使用的,而是放到陳列室的!
第二個(gè)部分:從接地技術(shù)分類和機(jī)理講起,從接地的目的到接地的手段。
接地從大的方面主要是分為保護(hù)接地和工作接地兩種:保護(hù)接地主要是保護(hù)設(shè)備和人身安全而設(shè)置的,比如防雷地和設(shè)備外殼的保護(hù)地;工作地是針對(duì)設(shè)備正常工作或者進(jìn)一步的上升為良好工作所設(shè)置的接地,主要包括模擬地、數(shù)字地、功率地、屏蔽接地、防靜電接地等。這種分類也是從目的出發(fā):保護(hù)和電磁兼容。
相關(guān)資料下載:工程師分享:《良好接地原則》 [page]
設(shè)備外殼的保護(hù)接地:目的就是防止內(nèi)部帶電線路絕緣破損,造成的“搭殼”而誤傷到人。形式就是在常規(guī)市電供電制式下,把所有金屬外殼設(shè)備的外殼接地,以分流絕大部分故障電流,進(jìn)而保護(hù)人身安全。
這里強(qiáng)調(diào)一下,從接地目的可以知道以上兩種接地,都是指接地球。
然而工作接地就明顯與上文不同,都是針對(duì)信號(hào)或者噪聲的,往往都是低幅值的,一般不涉及人身和設(shè)備安全。而更多關(guān)注電磁兼容方面的設(shè)計(jì)需求。
參考《良好接地指導(dǎo)原則》關(guān)于工作接地的定義,就要改寫成:工作電流的返回路徑。信號(hào)分為DC和AC,返回路徑是信號(hào)在現(xiàn)有物理?xiàng)l件下,按照信號(hào)“自身特征參數(shù)”自主選擇出來(lái)的。既然這樣,我們能做的就是在一定程度上去預(yù)期設(shè)計(jì)物理?xiàng)l件。有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是:狗急了會(huì)跳墻,兔子急了會(huì)咬人,千萬(wàn)千萬(wàn)要給信號(hào)回流留出通路,不然你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的產(chǎn)品無(wú)論EMS還是EMI都是嚴(yán)重超標(biāo)的。設(shè)備能不能正常工作,就只能看自己的造化了。這樣就要求我們?cè)谙胍畹氐臅r(shí)候,一定想好有沒(méi)有給信號(hào)返回留出哪怕一丁點(diǎn)兒的路徑。
工作地中的模擬地、數(shù)字地、功率地都可以歸為板級(jí)接地,這里主要提到PCB布局。
我崇尚的設(shè)計(jì)理念是能清楚預(yù)測(cè)和控制路徑的就人為分區(qū)加分割,不能清楚預(yù)測(cè)的就全部完整地平面,只分區(qū)不分割;當(dāng)然實(shí)際工作中,產(chǎn)品是多個(gè)模塊的,所以二者結(jié)合居多。
附件文中提到的直流返回路徑和交流返回路徑,二者都是走符合自身要求的最低阻抗路徑返回:即直流走最短到達(dá)路線,交流走最小面積路徑,需要強(qiáng)調(diào)的是,這里面積是指去向和回向所形成的面積,往往是指電路板截面相關(guān)的面積。
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首先以模數(shù)混合設(shè)計(jì)舉例,最典型的就是ADC的接地方式了。附件講的很全面,這里主要重復(fù)說(shuō)明一些內(nèi)容。
如上圖所示,《良好接地指導(dǎo)原則》中很明確地指出“AGND和DGND需在外部短接連接至低阻抗地”。
“將芯片焊盤連接到封裝引腳難免產(chǎn)生線焊電感和電阻”,這里指A、B兩點(diǎn)焊盤到外圍引腳的阻抗,這是IC設(shè)計(jì)人員想方設(shè)法要做到最低的,但工藝只能這個(gè)樣子。
“有人問(wèn)為什么不在內(nèi)部做好短接工作呢?”文中大概提到是為了為了防止進(jìn)一步耦合;怎么理解這一句?大概是說(shuō)為了降低公共阻抗部分的耦合,進(jìn)而減少模擬部分因公共阻抗耦合到的數(shù)字噪聲的意思,所以一般廠家都不會(huì)在內(nèi)部短接AGND和DGND,而是留到外部盡量構(gòu)成星型接地。
快速變化的數(shù)字電流在B點(diǎn)產(chǎn)生電壓,且必然會(huì)通過(guò)雜散電容CSTRAY耦合至模擬電路的A點(diǎn)”:針對(duì)低負(fù)載(BUFFER負(fù)載)的數(shù)字部分,ID由后級(jí)回路阻抗決定,VB由ID和ZP(由RP、LP構(gòu)成)決定,數(shù)字耦合到模擬的噪聲電壓VNA=ZP/ZP+ZC“將DGND連接到數(shù)字接地層會(huì)在AGND和DGND引腳兩端施加VNOISE,帶來(lái)嚴(yán)重問(wèn)題!”這里的VNOISE是指整個(gè)AGND平面與整個(gè)DGND平面之間的噪聲。這里想表達(dá)的是如果同一個(gè)芯片的2個(gè)接地引腳跨接在兩個(gè)接地平面上會(huì)引發(fā)的問(wèn)題。當(dāng)然這里只是針對(duì)這種小數(shù)字電流的ADC。
像這種ADC接地布局一般在模擬和數(shù)字電源端相互隔離去耦,在接地端保證低阻連接并接模擬地。
屏蔽接地:一般我們把屏蔽分為兩種,一種是磁場(chǎng)屏蔽,這時(shí),我們不太關(guān)注是否真的要接地,我們只關(guān)注磁場(chǎng)對(duì)屏蔽后方的均勻程度,也即是否會(huì)變成差模的干擾;另一種是電場(chǎng)屏蔽,也是基于靜電屏蔽原理,這里我們一般要求必須接地;總體上,這段話提到的接地都是指信號(hào)返回路徑的地(即噪聲要返回到噪聲源的途徑),而并非一定要接到地球。
講到屏蔽接地,就想到生活中最普通的臺(tái)式電腦。電腦機(jī)箱主要用著承重構(gòu)架和屏蔽的,夏天天氣熱,胳膊腿都裸露著,偶爾碰到電腦機(jī)箱,猛地一下被電到。這樣的經(jīng)歷你有沒(méi)有??
電腦機(jī)殼電人,到底是一種什么現(xiàn)象,是靜電?是漏電?
我給出的答案是:大多數(shù)情況下是漏電,而非靜電。這和你家墻插有沒(méi)有真正的地線有關(guān)。當(dāng)墻插沒(méi)有地線時(shí),而你的電腦主機(jī)和電源都是正品的時(shí)候,往往你會(huì)被不停地電一下的!
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在主機(jī)內(nèi)部電源一般都是開關(guān)電源,為了保證EMC各項(xiàng)指標(biāo)合格(安規(guī)測(cè)試),一般正規(guī)廠家都會(huì)在交流輸入級(jí)加入線路濾波器見下圖,其中C1、C2為共模電容也叫Y電容,C3為差模電容也叫X電容。此電源濾波器目的是解決供電設(shè)備EMS和EMI問(wèn)題而設(shè)立的,但是它的存在勢(shì)必引入人身安全隱患。所以這類電容必須從耐壓、漏電流、到失效效果上被特殊制作,被稱為安規(guī)電容。這個(gè)電路也是保護(hù)地、噪聲返回路徑結(jié)合的一個(gè)例子。
LNG分別對(duì)應(yīng)墻插的火線零線和地線,同時(shí)機(jī)箱也是和G相連接的。常規(guī)市電供電,火線L對(duì)大地大概220V電壓,這個(gè)和墻插有沒(méi)有接地?zé)o關(guān)。當(dāng)墻插沒(méi)接地線時(shí),也就是說(shuō)機(jī)殼未接地,那么L對(duì)G(機(jī)殼)就會(huì)呈現(xiàn)110V左右電壓,G(機(jī)殼)對(duì)N(即大地,基于TN-S、TN-C-S供電系統(tǒng))呈現(xiàn)110V電壓,這也就是我們用測(cè)電筆點(diǎn)在電腦機(jī)殼上,筆會(huì)一直亮著的原因。當(dāng)你碰到機(jī)箱的一瞬間,那么漏電流就會(huì)通過(guò)L到C1到人體到大地再到N形成回路。當(dāng)然這個(gè)電流也是瞬間的,畢竟人體阻抗是很低的,人體接觸后會(huì)與C2并聯(lián),打破原來(lái)C1、C2的分壓值,進(jìn)而拉低機(jī)殼電位,也就是說(shuō)瞬間被電后就沒(méi)什么感覺(jué)了,當(dāng)然你手拿開后再次觸摸機(jī)殼還是會(huì)被電一下的。
上面提到了安規(guī),就規(guī)定了這個(gè)Y電容必須有足夠高的耐壓,足夠小的漏電流,即足夠小的容值,從而保證漏電流不至于威脅到人身安全。
通過(guò)上面的分析,大概知道,當(dāng)自己碰到這樣的電腦機(jī)箱,很可能說(shuō)明自己買到的是正品,是針對(duì)安規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)的!但也不要忘了,盡量給他來(lái)個(gè)接地(球)的線,不然,就會(huì)經(jīng)常被電的!
防靜電接地:摩擦、感應(yīng)和傳導(dǎo)都會(huì)都會(huì)產(chǎn)生靜電,針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合,靜電防護(hù)的方式也不同,比如有的可以直接接地;有的可以高阻接地,比如機(jī)房常用的防靜電地板;還有的直接懸空,利用尖端釋放電荷,比如無(wú)線防靜電環(huán)。
這里指針對(duì)常見的防靜電措施說(shuō)一下,通常防靜電想達(dá)到的目的是:
①要限制靜電的積累,隨著靜電荷的積累,勢(shì)必產(chǎn)生越來(lái)越高的電壓,對(duì)人和設(shè)備都是安全隱患;
②不能存在大的泄放電流;
這樣就需要一個(gè)平衡度的掌握,既想放掉又不至于放的太快。所以一般都是高阻接地的;比如防靜電工作臺(tái)和防靜電地板。
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做產(chǎn)品的無(wú)論是固定式、便攜式還是手持式的設(shè)備,一般都面臨防浪涌保護(hù)接地、靜電防護(hù)接地、屏蔽外殼接地、板級(jí)接地等設(shè)計(jì);外殼和PCB板的工作地之間的連接關(guān)系,往往很重要。那么這兩種地的連接方式無(wú)非是“不連”、“短接”、“阻抗相連”三類情況。這里主要考慮設(shè)備接地?zé)o論前后都是和電源繞不開的,無(wú)論保護(hù)接地還是工作接地。下面僅針對(duì)隔離型開關(guān)電源供電設(shè)備進(jìn)行接地分析(無(wú)論是DC-D還是AC-DC,其抗干擾分析是一致的)。
上圖是隔離型AC-DC開關(guān)電源原理簡(jiǎn)圖,其中Cs為變壓器初次級(jí)之間的雜散電容,C1為保護(hù)地和熱地之間的安規(guī)電容,C4為工作地與保護(hù)地(機(jī)殼地)之間的安規(guī)電容。最前端的三豎線符號(hào)的是保護(hù)地,中間倒三角符號(hào)的是熱地,最后三橫線符號(hào)的是負(fù)載設(shè)備的工作地。
首先我們分析這幾個(gè)電容的必要性,也就是作用。開關(guān)電源最大優(yōu)點(diǎn)是效率高,最大的缺點(diǎn)就是紋波噪聲大;那么分析這三個(gè)電容就從開關(guān)噪聲回路開始。
開關(guān)噪聲是開關(guān)管在飽和和截止瞬間能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題引發(fā)的衰減振蕩噪聲,這類噪聲的頻率可以預(yù)測(cè),幅值可以通過(guò)RCD吸收等方式吸收一部分,但傳導(dǎo)干擾本省還是比較嚴(yán)重的,尤其針對(duì)模擬微弱信號(hào)處理的負(fù)載板。
這種噪聲傳導(dǎo)必然通過(guò)隔離變壓器的雜散電容CS耦合到次級(jí),那么我們?cè)趯ふ议_關(guān)噪聲的返回路徑時(shí)發(fā)現(xiàn),如果沒(méi)有C1,噪聲勢(shì)必會(huì)通過(guò)L-N回路返回,并污染電網(wǎng),造成對(duì)外電磁輻射超標(biāo)。同時(shí)向后,通過(guò)雜散電容CS耦合到次級(jí)板級(jí)供電處,必然也有一條返回路徑C4的存在,才能保證噪聲對(duì)后級(jí)負(fù)載影響盡量降低。其實(shí)這種通過(guò)電容連接的方式我們也叫做高頻接地或浮地設(shè)計(jì),這種接地對(duì)低頻而言是浮置的。當(dāng)然如果不接電容,EMC各項(xiàng)指標(biāo)都沒(méi)法保證的。
以上高頻接地依然存在一個(gè)靜電防護(hù)問(wèn)題,就是當(dāng)PCB負(fù)載為浮地設(shè)計(jì)時(shí),可能會(huì)有靜電積累,那么勢(shì)必會(huì)使C4右端電勢(shì)不斷抬高,這樣的靜電隱患必須解決,不然對(duì)設(shè)備是很大的威脅。方法是有的,我們可以衍生出高頻加靜電釋放接地方式,也就是將電容C4并聯(lián)一個(gè)釋放電阻一般選擇兆歐級(jí)或者壓敏器件。
以上說(shuō)明了PCB的工作地和外殼地的兩種連接方式---通過(guò)電容進(jìn)行連接或者阻容進(jìn)行連接以及它們的作用;那如果直接把PCB的工作地直接和保護(hù)地(外殼)進(jìn)行短接,會(huì)有什么問(wèn)題呢?要分情況了:如果保護(hù)地很“干凈”,這種方法很實(shí)用;如果保護(hù)地很“雜亂”,那么最直接的隱患就是大地上的很多干擾,同時(shí)都有可能通過(guò)這種直接傳導(dǎo)方式進(jìn)入電路板,通過(guò)共模轉(zhuǎn)差模的方式,進(jìn)而干擾電路板上的正常信號(hào)。當(dāng)然還存在低頻接地、高頻懸浮的方式連接二者,比如PCB通過(guò)電感連接外殼接地。總之,接地是因地制宜的,要考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所,清楚自己接地的目的,然后指導(dǎo)自己用合適接地方式來(lái)處理自己的系統(tǒng),達(dá)到安全和電磁兼容的雙重效果。這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品接地才是合格的!
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