【導(dǎo)讀】接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為棘手的問(wèn)題之一，沒(méi)有任何一種接地方法能始終保證最佳性能。盡管它的概念相對(duì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)卻很復(fù)雜，如果在某些細(xì)節(jié)上處理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致令人頭痛的問(wèn)題。下面就來(lái)聽(tīng)聽(tīng)這位工程師對(duì)于復(fù)雜的接地設(shè)計(jì)有什么樣的經(jīng)驗(yàn)之談吧！
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(lèi)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(lèi)也是從目的出發(fā)：保護(hù)和電磁兼容。
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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(xiě)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(pán)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(pán)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(kāi)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(jiàn)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(lèi)電容必須從耐壓、漏電流、到失效效果上被特殊制作，被稱(chēng)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(kāi)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(mǎi)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(jiàn)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)噪聲回路開(kāi)始。
開(kāi)關(guān)噪聲是開(kāi)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(lèi)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_(kāi)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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