由淺入深循序漸進談接地

接地，是個很復雜的問題，一篇帖子很難說的清楚，同時還想從例子說起，以便能夠讓大家認識到事物的本質(zhì)，對我這樣一個工科出身的硬件工程師來說還是有些難度，總怕表達不清楚或不到位，把大家引入歧途。盡力吧，講的不當?shù)牡胤剑Ｍ蠹殷w諒。

　　以下一些基本概念，后續(xù)將著重講工作地的設計和分析方法，因為，工作地是最復雜，也最容易在實際設計當中出錯。當然也是硬件工程師必須要搞清的東西。

　　基本概念

　　接地，比較直觀的就是接大地。實際上，接地是一個系統(tǒng)級的概念，接大地已經(jīng)不能清晰地描述系統(tǒng)接地的概念了。為了清楚表達接地的概念，可以引用亨利.奧特的定義：“接地是為電流返回其源提供的低阻抗通道”。

　　對于不同的應用，有不同的理解，對于線路工程師來說，接地的含義通常是線路電壓的參考點;對于系統(tǒng)設計師來說，它常常是機柜或機架;而對電氣工程師來說，它卻是綠色安全地線或接到大地的意思。

　　接地的作用

　　設計中接地往往基于各種理由，例如電力配電、安全、信號綜合、防雷、EMI和靜電放電等等。接地設計時，電流幅度和頻率是兩項關鍵因素，他們決定著接地應采用何種方式以及系統(tǒng)對接地質(zhì)量要求的高低。根據(jù)接地需求的不同，接地的主要作用有：

　　防雷接地

　　把可能受到雷擊的物體和大地相接，以提供泄放大電流的通路稱之為防雷地。這種接地的目的很明確，就是防止人及物體遭到雷擊，這些物體可以是天線、大樓、電子或電氣設備等。

　　由于雷電放電電流一般是脈沖性的大電流(可高達上百千安)，其上升沿可達到微秒量級(1-10 微秒，持續(xù)時間100 微秒以下)，因此要求防雷接地的接地阻抗要小。為了避免雷擊電流引發(fā)機房設備之間的高電位差，要求設備之間特別是有電氣聯(lián)系或距離較近的設備進行低電感和電阻搭接。

　　保護接地

　　保護接地就是為了保護設備、裝置、電路及人身的安全。因此，在設備、裝置、電路的底盤及機殼端一定要采取保護接地。因保護接地和人身安全相關，保護接地的方式在配電的標準規(guī)范中以及安全規(guī)范都有嚴格規(guī)定。

　　保護地主要用以保護工頻故障電壓對人身造成的危害，其保護原理是：通過把帶故障電壓的設備外殼短路到大地或地線端，保護過程中產(chǎn)生的短路電流使熔絲或空氣開關斷開。保護地的工頻電阻要求較小，同時要求保護地的可靠性很高。從電源頻率的角度來看，如僅對人身安全的保護接地而言，可以不對保護地提出低電感的要求。

　　工作接地

　　工作地線是單板、母板或系統(tǒng)之間信號的等電位參考點或參考平面，它給信號回流提供了低的阻抗通道。信號質(zhì)量很大程度上依賴于工作接地質(zhì)量的好壞。由于受接地材料特性和其他技術因素的影響，接地導體的連接或搭接無論做的如何好，總有一定的阻抗，信號的回流會在工作地線上產(chǎn)生電壓降，形成地紋波，對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響;信號越弱，信號頻率越高，這種影響就越嚴重。盡管如此，在設計和施工中最大限度地降低工作接地導體的阻抗仍然是非常重要的。

　　屏蔽接地

　　屏蔽接地是和結(jié)構(gòu)息息相關的措施。電磁屏蔽時并不要求與大地連接，屏蔽結(jié)構(gòu)接到大地上更多的是安全等方面的需要。

　　為了防止電磁輻射和干擾，系統(tǒng)設計中常采用結(jié)構(gòu)屏蔽的方法。為了使結(jié)構(gòu)有較好的屏蔽效能，要求對結(jié)構(gòu)箱體的開孔尺寸有一定限制，特別是通風孔。但是電纜出線往往會破壞了這種屏蔽效能，因此要求電纜在出屏蔽體時與機柜連接。

　　防靜電接地

　　靜電的危害是眾所周知的，當人手觸摸電子裝備時，由人體附帶的數(shù)以千伏的靜電電壓，會對設備中的電子器件發(fā)生放電，雖然靜電的能量不高，但產(chǎn)生的瞬時電流足夠大，有可能造成電子器件的損壞。

　　人體產(chǎn)生的高電壓靜電通過沒有接好大地的單板上安裝的金屬拉手條，會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，如果單板上的電子器件絕緣處理的不好，瞬態(tài)“大電流”足以破壞絕緣造成單板上器件的永久性損壞。如果在機箱上裝了防靜電手腕，在人體觸摸設備之前，通過防靜電手腕把靜電泄放到大地，以使人體和設備之間的電位相等從而達到保護的目的。

　　由于防靜電接地大多針對人和設備，因此在人體和設備之間增加保護電阻(如防靜電手腕中的電阻)防止機柜帶電對人身造成的可能傷害，當然也可限制人體對地產(chǎn)生的靜電泄放電流，從而起到保護設備的作用。
接地--目的

圖3.浮地的影響接地實例分析--浪涌試驗時為什么只燒毀功放板

　　有人問我：在做設備的浪涌試驗時，其他的都沒有損壞，為什么只有離電源輸入端最遠的功放板燒毀了?我也很納悶，等看過了他的布局圖，我樂了，因為我也犯過同樣的錯誤。

　　設備布局圖如下：

　　在分析前，先明確接地的概念，這里的接地，不是指安全地，而是特指參考地。因為EMC測試所說的地就是參考地，是一個大面積的等電位的金屬板，這個金屬板接大地的線纜就是安全接地線。

　　這只是個簡圖，原圖上沒有C1、C2、 C3、C4和C5，是我后期為了分析容易補上去的，電源輸入線的正負極之間肯定也有保護電路，如果大家感興趣，我們可以在后續(xù)文章里再重點討論。同樣，我們這里也不討論差模干擾，因為對于浪涌，差模很容易解決。

　　在設備布局時，他考慮更多的是功能，對EMC設計考慮的太少。EMC里的接地的主要目的是改變共模干擾傳輸路徑，避免干擾電流流過敏感電路。

　　原圖的設計中針對浪涌的處理，靠的是工作地和機箱間的空氣間隙來保證。但是，對于高頻干擾信號，影響最大的是寄生參數(shù)，隔離電路只能阻斷差模信號，對共模干擾沒有阻隔能力。

　　從圖上可以看出，相對于輸入干擾信號，存在很多寄生通道，如C1、C2、 C3、C4和C5，因為任何信號的傳遞，都是閉環(huán)的，干擾信號肯定會通過這些寄生通道流回到干擾源，只是流過不同寄生通道的電流大小不同罷了。

　　當電纜相對于參考地位10cm時，寄生電容為50pf/m，寄生電感是10nH/m。對于長距離傳輸?shù)碾娎|，功放和外設之間的距離超過100米，這個時候，如果C1和C2也是寄生電容，那么C3和C4就是一個低阻抗的通路，浪涌共模干擾電流就通過大面積的背板流向功放板，然后通過C3流向參考地，功放板能保住那就見鬼了。

　　為什么控制板沒有問題呢?那是因為控制板沒有對地泄放通路，準確地說對參考地的寄生電容太小，相對于功放板的輸出電纜，可以忽略不計。

　　分析到這里，大家應知道怎么進行EMC改造了吧，那就是在電源板上加上C1和C2。

　　C5和機箱接地點對本文分析影響不大，但它在其他應用里影響相當可以。

　　上面提到了接地的目的，這節(jié)還是要重點說一下：

　　接地根本目的就是改變共模電流的方向。

　　對于任何信號，都會選擇最小阻抗的路徑返回信號源端。那么如何選擇接地點硬件工程師必須認真考慮，產(chǎn)品的EMC問題和單點、多點接地關系不大，接地主要是為了改變共模電流方向;接地位置不對，不僅解決不了干擾，反而會加大干擾，不如不接地。

　　產(chǎn)品中的外接電纜和接地線都是天線(又一個知識點，這里就不討論天線的問題，留著其他帖子討論)，對于干擾信號，即使沒有直接相連，也會由這些天線自動接收外部干擾，以及對外產(chǎn)生*擾發(fā)射或傳導。

　　所以接地點的選擇依據(jù)就是避免這些干擾共模電流進入板卡內(nèi)部，以下用一些圖表來說明：

　　圖1就是比較好的接地選擇點;

　　a

　　圖1.就近接地地

　　圖2避免這樣的選擇，這樣的選擇輕者板卡工作異常，重則燒毀板卡;

　　圖2.最差接地點

　　對于一些浮地產(chǎn)品，同樣存在問題，因為浮地阻止不了共模干擾電流流入工作地。所以不要認為浮地產(chǎn)品，特別是一些自帶電池的產(chǎn)品，就不需要考慮EMC問題，也許問題更嚴重。