電路中“地”之深究——克服電磁干擾
接地是電路設計中最基礎的內(nèi)容，但又是幾乎沒人說得清的，幾乎每次的培訓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啊?”如果想知道這個問題的答案，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，當然不是。為了更好的明了接地的技巧方法，下文中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。這個觀點一定記住。比如同樣的電路，用在便攜設備上，靜電累積泄放不掉，接地的目的是地電位均衡;用在不可移動的設備上，一般會有安全接地措施，對靜電泄放的接地目的是導通阻抗足夠低，尤其是對于尖峰脈沖的高頻導通阻抗。
一下講解地的注意事項分成幾個獨立的觀點分別介紹，每一條的內(nèi)容雖然簡單，建議一定反復讀上N遍，象面對一杯好茶，讓心跳在60bpm以下的狀態(tài)，細細的品，感覺其中的美感和內(nèi)涵。然后才可能從簡單的詞語中悟出深刻的道理來。
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？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，其實電路功能是照常實現(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，距離遠近的不同，肯定會導致產(chǎn)生靜電感應的壓差。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，感應的將是均勻的電場，雖然感應干擾仍然存在，但起碼電路上是基本均衡的。當然如果此金屬板接地更好啦。當然共模電壓一般不會維持住，因為傳輸線的阻抗不均勻，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，如浮地設備，不得不受到靜電沖擊的電路板，防護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，通道相當于地線，人相當于電流。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
這個標題用了個“較”字，是有原因的，因為通用的接地方法根本不存在，這只是個基礎的模型，真正使用中的時候，還需要結(jié)合實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。 基本思路是，在設計上，把安全保護地、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立的單獨連接，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。因為這類導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，相當于低頻接地，高頻下大阻抗接地了，基本不能實現(xiàn)高頻下的可靠導通。
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，它在高頻下可以實現(xiàn)地阻抗對地導通。
c地——地間大電阻連接
大電阻的特點是一旦電阻兩端出現(xiàn)壓差，就會產(chǎn)生很弱的導通電流，把地線上電荷瀉放掉之后，最終實現(xiàn)兩端的壓差=0V，這個特點在希望電荷瀉放，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，導通電阻一般是106-109歐，就是這個目的。防靜電臺墊相當于是工作電路板的地與保護大地間的大電阻。 c地——地間電容連接 電容的特性是直流截止，交流導通，對希望實現(xiàn)這類功能的場合可以考慮采取此方法。比如一個開關電源供電的產(chǎn)品，外殼和保護接地連接，里面的電路板上的地有雜亂波動干擾，但又無處瀉放的話，在24V、12V、5V等的直流電源地與保護接地間跨接大電容，波動可以被瀉放掉，但直流成分能保證是較穩(wěn)的;注意，這種情況下，保護地和外殼地的穩(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
在這里，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，相當于銷峰填谷。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)，因為磁珠會飽和，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，可以銷峰填谷，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
因為雷擊浪涌、安全地的電流一般會遠大于信號電流對人的危害，這兩個接地建議分別單獨接到大地，在真正的大地處單點相接，尤其是防雷擊接地。
這篇文章耗時大約月余，各種思路一直盤旋于心，卻有無從做起，在我的身上，也印證了接地這個問題與我們的關系，最熟悉又最陌生，最簡單又最復雜，最易上路又最難達到終點。希望通過粗淺的總結(jié)，為我們浮在云里霧端的接地設計提供一個落地的云梯，使接地的設計真正能接到地氣上來。
編輯：admin 最后修改時間：2018-01-05
