接地

正确的接地是电子系统设计的一个重要方面，无论是安全性还是电磁兼容性。在决定意外故障、电瞬变或电磁干扰发生时发生什么的过程中，接地起着至关重要的作用。适当的接地策略还能使工程师更有效地控制不必要的辐射排放。

另一方面，不正确的接地会损害产品或系统的安全性和电磁兼容性。在过去的几十年里，糟糕的接地已经成为emc相关系统故障的主要原因。

制定一个好的接地策略是一个相当简单的过程。因此，有人可能会想，为什么这么多系统不恰当地接地。答案很简单:工程师们经常混淆地面的概念和另一个重要的概念，电流回报。数字电子产品中的电流返回导体通常被标记为地或地，这一事实可能令人困惑。当电流返回导体被视为接地导体(或当接地导体用于返回电流)时，其结果往往是设计具有严重的EMC问题。

地的定义

一个好的接地策略始于对接地目的的清晰理解。首先，地作为电路或系统的零电压参考。这一点在几十年前就得到了充分的理解。1992年，美国国家标准协会(ANSI)定义了这样的接地，

众所周知，地是参考电位，地导体通常是不带电流的导体。

在美国，110伏接地插座有三个端子，如图1所示。热端子标称电位110vrms，提供电源电流。中性端有一个标称电位为0vrms，并作为电源电流返回。接地端子的标称电位为0vrms，但在正常情况下不带电流。中性点和接地端子都连接到电线，这些电线又回到电气服务箱中的同一点(与建筑物外的地面有电气连接的点)。

由于中性线和地线到同一个地方，它们在电上是可互换的。事实上，如果它们在插座上短路，只连接一根电线到服务盒，就很难检测到任何差异。那么为什么要用两条线而不是一条线呢?简单的答案是，接地和电流返回是两个独立的函数，通常不兼容。在导体中流动的显著电流会使其不能成为可靠的参考电势。

也许关于安全和EMC接地最重要的一点是，接地不是电流返回。接地和电流回流都是非常重要的概念，但它们不是一回事。地面不是让电流返回源头的路径。接地基本上是产品电路和系统的零电压参考。地的概念在安全性设计和电磁兼容性设计中起着至关重要的作用。

接地对安全的重要性

设计安全电气产品和系统的一个重要部分是了解不安全电压何时何地可能出现在各种导电表面。从安全的角度来看，地是零伏特的基准，其他导体上的电压是其电压与地之间的差值。对于建筑物，地面参考通常是建筑物下面的土地(或字面上的“地面”)。这很方便，因为地面相对较大，所有大型金属结构(例如穿透建筑物边界的管道和电缆)都很容易连接或参考地面。

建筑地面通常是在电力服务入口附近的泥土中插入金属棒。这些杆被连接到断路器箱，从该断路器箱接地通过非电流导线分布到所有电源插座。它们还连接到分布在整个建筑物中的任何金属，如管道或建筑钢材。

具有大量暴露金属表面的电器或电气产品通常需要将金属与接地线接地，以确保其相对于建筑物中任何其他接地金属不会达到不安全电位。当发生故障导致电源导体与裸露的金属短路时，断路器盒接地可保证大量的电流输出。这会迫使断路器打开，并从电器中移除电源。

需要注意的是，这种确保产品安全的方法依赖于电源插座地面到断路器箱的良好连接。旧的电源插座可能缺少一个接地端子，甚至连接线不当的新插座也可能缺少接地连接。由于这个原因，许多产品采用不依赖于地面连接的安全操作设计。双重绝缘产品的设计是为了确保电源连接不会短路到暴露的金属，通过消除暴露的金属和/或确保断路器将跳闸，如果发生任何短路。

也有越来越多的电气产品与嵌入式接地故障电路中断(GFCI)装置。GFCIs通过感应电源输入和电源返回线之间的电流不平衡来运行。在电流不平衡超过安全阈值的第一个迹象，GFCI断开电源。

安全接地可能与EMC接地相同，也可能不同，但在进行EMC设计时，安全接地是需要考虑的重要因素。例如，在医疗产品和工业控制中，出于安全考虑，电路接地经常需要与底盘接地隔离。这对EMC工程师提出了一个独特的设计挑战，他们通常希望看到所有大型金属物体在高频下良好连接。

接地对电磁兼容的重要性

EMC问题通常是由两个具有不同电势的大型金属物体引起的。任何两个谐振导体之间仅几百微伏的电位差就会导致产品超过辐射排放限制。类似地，连接不良好的两个导体之间产生的电压也会导致辐射抗扰性问题。

接地基本上是定义零电压基准，并通过低阻抗、非载流连接将金属物体或电路连接到该基准的艺术。适当的EMC接地策略可确保大型金属结构之间不会相互驱动，从而导致意外的排放或免疫问题。连接金属物体以保持它们处于相同的电位，并将所有外部连接引用到相同的零电压地，这是确保大多数产品电磁兼容性的关键步骤。

地面结构

几乎所有的电子设备和系统都有接地结构。在建筑物中，是地线、管道和金属结构。在汽车和飞机上，它是金属框架或底盘。在大多数计算机中，它是金属支撑结构和/或外壳。

地面结构作为本地零电压参考。任何大的和金属的东西都不应该被允许承担与地面结构显著不同的电位。这通常是通过将所有大型金属物体以感兴趣的频率连接到地面结构来实现的。它也可以通过充分隔离大型金属物体，并确保它们之间没有可能导致电位发展的源来实现。

图3。带有两个太阳能阵列的卫星。

例如，考虑图3所示的卫星。它的地面结构是金属外壳，容纳了大部分电子设备。为了将任何重要的电磁功率输入或输出卫星，有必要在地面结构和其他具有重要电气尺寸的物体之间建立一个电压。在频率低于几百兆赫时，唯一具有重要电气尺寸的导体(除了地面结构)是两个太阳能电池板阵列，以及可能将这些阵列连接到卫星内部电路的任何电线。

将太阳能电池板阵列连接到外壳上，确保大导体之间不会出现明显的电压，这些导体可以作为无意的噪声发射或接收天线。连接线还需要连接到地面结构上。这通常通过并联电容器来实现，以便在噪声频率下建立连接，同时允许功率和信号电流不受衰减地流动。

本例中应用于卫星的接地策略可以用于几乎任何其他具有地面结构的设备或系统。基本原理是地面结构本身代表了一个无意天线的一半。辐射耦合只有在地面结构和另一个具有重要电气尺寸的导电物体之间产生电压时才会发生。将所有具有重要电气尺寸的物体连接到地面结构上，可以防止它们成为无意中天线的另一半。

这种接地策略不仅对于满足辐射排放和抗扰性要求很重要，而且对于满足传导排放和抗扰性要求也起着关键作用，其中地面结构既是零伏特参考，也是潜在干扰噪声电流的首选路径。

关于地面结构，有三点很重要，

1. 地面结构必须是一个良好的导体在感兴趣的频率，但它不必是电小。偶尔，你可能会听到有人说，在高频率下地不存在，因为地是一个等电位表面，在一个表面上，距离四分之一波长的两点的电位是不一样的。这个论点是没有根据的，因为地面结构在这个意义上不一定是等势面。事实上，两个遥远点之间唯一可定义的电位差的整个概念在高频处就站不住脚了。

   地球作为大多数电力分配系统的安全地面，即使地球在50或60赫兹的电上并不小。洛杉矶的地球潜力与纽约的不一样，这无关紧要。地面结构作为本地零电压参考。它们不需要电容量小。

2. 地面结构不需要包围电子设备。地面结构不是屏蔽外壳。它只是一种大而金属的东西，作为其他任何大而金属的东西的局部零伏特参考。

3. 地面结构不能承载有意的电流(至少不能在感兴趣的振幅和频率上)。在导体上或导体内流动的电流使磁通量包裹导体。包裹导体的磁通量在导体上产生电压。在高频率下，这种电压可以潜在地驱动地面结构的一部分相对于另一部分。

地面结构可以携带频率和振幅的电流，不影响其作为地面结构的有效性。例如，大多数汽车利用车架作为在非常低频率下工作的灯和非关键传感器的返回电流路径。这并不降低框架的能力，作为一个地面结构在更高的频率。

重要的是要注意，虽然地面结构不能携带有意电流，但它预计会携带故障电流和感应噪声电流。事实上，对地结构的正确利用取决于它能否携带具有足够低阻抗的非故意电流来控制非故意电压。

接地导体

接地导体是将大型金属物体连接到地面结构上的连接点(如螺钉、螺栓、垫圈、电线或金属带)。像地面结构一样，接地导体不携带有意的电流。它们的作用是使两个金属结构之间的电压保持在临界值以下。

接地导体必须具有足够低的阻抗(即电阻加感应抗)，以确保其阻抗乘以其可能携带的最大电流低于可能导致EMC问题的最小电压。例如，假设屏蔽双绞线对的屏蔽通过1厘米的连接器引脚连接到地面结构，如图4所示。双绞线对携带100 Mbps伪差分信号，在100 MHz时共模噪声电流为0.3 mA。驱动电缆屏蔽相对于板的电压近似等于屏蔽返回的电流乘以屏蔽连接的有效电感。假设连接器引脚的有效电感约为10 nH(即1 nH/mm)，驱动电缆屏蔽相对于地面结构的电压约为2毫伏。在许多情况下，这足以超过100 MHz的辐射发射限制，需要采取措施降低共模噪声或降低接地导体的连接电感。

图4。带屏蔽连接到地面结构的双绞线。

电化学腐蚀

当通过螺栓将两个平面金属表面连接在一起进行接地时，连接的电阻可能比电感更重要。当它们之间的界面被腐蚀时，情况尤其如此。

电偶腐蚀电位是一种衡量不同金属接触时腐蚀速度的指标。腐蚀取决于电解液的存在，如水;腐蚀的速度取决于许多因素，包括电解质的性质。

图5。普通金属的阳极指数。

图5中的图表列出了几种常见金属的阳极指数及其名称。这个参数用来测量金属和黄金之间的电化学电压。如图表所示，要找出一对金属的相对电压，需要减去它们的阳极指数。根据环境的不同，电压差大于0.95伏的材料之间的键合通常需要电镀或垫片来保持键合的完整性。

地面与电流回流

如本章开头所述，接地和电流返回是两个完全不同的函数。不幸的是，许多电流返回导体在实际产品中被标记为“接地”。这造成了大量的混乱，因为与地面相关的规则适用于当前的回报，反之亦然。

例如，图6中的部分电路板示意图有四个不同的底座。其中一个组件与信号或电源一起工作，这些信号或电源参考其中三个接地。这个电路的设计者不太可能想要四个不同的零电压参考。事实上，四个地面是由跳线连接起来的，这表明设计师的意图是有一个零伏特的参考。

图6。部分原理图有四个理由。

图7所示的电路板布局显示了带有两个标记为“GND”和“AGND”的隔离网的层。隔离地面使所有大型金属物体在一个系统中保持相同的电位变得困难。一般来说，只有在出于安全考虑的必要情况下才应该这样做。那么为什么这些“理由”是孤立的呢?

图7。有两个地基的一层板布局。

在上面的两个例子中，“地面”网被隔离的原因是因为它们并不是真正的地面。它们是电力或信号电流的返回导体。设计师不想要孤立的零电压参考。他们正在隔离电流返回导体，试图避免共阻抗耦合。

大约50年前，当数字电路刚刚开始进入收音机和高保真音频设备等产品时，电子设计师很快就了解到，当它们共享相同的电流返回导体时，数字噪声可以耦合到音频电路上。例如，考虑图8a所示的简单板。它有两个数字组件，一个数字-模拟转换器(D/ a)和一个放大器，用于在模拟信号通过连接器发送出电路板之前增强模拟信号。两个数字元件之间的单端数字信号使用地平面作为返回路径。在千赫频率及以下，在平面上返回的电流以图8b中的绿线近似表示的分布展开。从放大器返回到D/A转换器的低频电流遵循图8b中蓝色线近似表示的路径。

图8。图左为简单的混合信号板(A)，地平面上的近似回流电流分布(b)。

在目前的分布中，显然有大量的重叠。这就导致了共阻抗耦合，因为一个电路中的电流与另一个电路中的电流共享一个地平面电阻。如果共享地平面电阻为1 mΩ数量级，数字电流为100 mA数量级，则模拟电路中的感应电压为100 μV数量级。

50年前，设计音频电路的工程师观察到，由于数字电路的共阻抗耦合，音频电路中诱导的电压通常是不可接受的。人们可以在声音信号中听到数字噪声。

显而易见的解决办法是将数字信号返回电流与模拟信号返回电流隔离开来。两层以上的木板在当时并不常见，所以一种流行的方法是将当前的回平面分开。图9中显示了一个例子。

图9。混合信号板，左侧的电流回流面有间隙(A)，接地面上的近似回流电流分布(b)。

由于低频电流不能流过间隙，电流在间隙的两侧被重定向。这降低了主要由模拟电流使用的平面区域的数字回流电流密度，并大大降低了共阻抗耦合。

在20世纪60年代和70年代相对简单的两层板上，在模拟电路和数字电路之间的“地”平面上进行间隔，通常是消除由于公共阻抗耦合而导致的不可接受的串扰的有效方法。不幸的是，它工作得太好了，以至于人们最终产生了这样的想法:在数字电路和模拟电路之间，地平面应该总是有间隙的。一个设计规则诞生了，而电路板设计师喜欢设计规则。五十年后，许多电路板设计师仍然坚持这一设计规则，即使它已经不再有意义。事实上，对于今天的电路板来说，更好的设计规则是永远不要在模拟电路和数字电路之间留出地平面。

为了说明为什么会这样，请考虑图10中的电路板布局。它具有与前面示例相同的组件，并且与前面示例一样，它在模拟电路和数字电路之间留出了地平面。然而，在这种情况下，缺口围绕模拟电路的三面。

图10。左边(A)是一个糟糕的混合信号板布局，右边(b)是一个更好的替代布局。

绘制返回电流，正如在前面的示例中所做的那样，将说明数字和模拟返回电流之间的出色隔离。但之前的返回电流图并没有考虑平面上的所有电流。注意，有四个数字迹线连接D/A转换器到一个数字组件。这些信号也需要回流电流。这些电流必须从D/A组件的地引脚到数字组件的地引脚。这条路径之前很短，而且无关紧要，但现在这个间隙迫使这些电流与模拟电流共享平面上的同一区域。这种差距非但不会让事情变得更好，反而可能会让事情变得更糟。

正确定位模拟电路和数字电路之间的间隙是至关重要的。50年前，要确定这个缺口的正确位置通常是很困难的。在今天的高密度板，缺口平面通常是一个不可行的和完全不必要的解决方案，一个不存在的问题。

至少有三个原因，为什么缺口的地面平面是没有必要的与今天的板设计:

1. 数字和模拟信号的工作频率往往比50年前高得多。在大约100千赫以上的频率下，地平面上的回流电流被限制在信号迹线正下方的区域。由于它们没有在平面上展开，因此在平面上开间隙并不能改善电路之间的隔离。

2. 即使在千赫频率或更低的频率下，电路板接地面电阻小于1 mΩ/平方．这意味着“噪声”电路倾倒安培电流到地平面，只能在共享同一平面的其他电路中诱导毫伏(最坏情况)的电压。这种级别的噪声耦合可能成为问题的情况相对较少。

3. 在那些不能容忍百万欧姆耦合的情况下，最好是在不同的层上隔离返回．例如，在我们前面的例子中，耦合问题的最佳解决方案是不使平面形成间隙。图10b演示了如何在顶层使用迹线返回模拟电流，完全避免了常见的阻抗耦合问题。在具有大量必须在低频隔离的模拟和数字返回的电路板中，通常需要在高频连接它们，以防止辐射发射问题。在相邻层上路由孤立的回报使它们之间更容易建立良好的高频连接。

注意，图10b中的模拟电流返回迹线通过位于D/ a地引脚附近的单个通孔连接到数字电流返回平面。过孔不携带模拟或数字返回电流。它的唯一功能是确保模拟电路和数字电路具有相同的零电压基准。换句话说，通孔是接地导体，而平面和迹线是电流返回导体。

单点接地和多点接地

假设图10b中的模拟电流返回轨迹有两个通过连接到数字电流返回平面，如图11所示。现在模拟返回电流有两条可能的路径。它可以在轨迹上返回，也可以在平面上返回。电流将根据每条路径的电阻分裂，允许大量的模拟电流返回到平面上。同样，一些数字电流也会在模拟电流返回的轨迹上流动。隔离被破坏，重新引入共阻抗耦合。

图11。在两个孤立的电流-返回之间增加第二个连接意味着它们在低频时不再孤立。

一般来说，如果两条电流返回路径连接在一个以上的点上，它们在低频时是不隔离的。图10b中的通孔连接是单点接地的一个例子。单点接地在EMC中是一个重要的概念，尽管它经常被没有正确区分电流返回导体和接地导体的设计人员所误解。

图12。单点地面。

单点接地原理如图12所示。隔离电路或系统通过不带电流的接地导体连接到一个点上。图13显示了另一种实现，其中接地导体连接在多个点上，但它们仍然都引用一个点。其中一个例子就是建筑物中的电源。每个接地设备都有一个专用的线路连接到建筑物的电力服务，但平行路径是由管道连接或产品的外部金属表面有电接触。在多处连接接地导线不影响接地方案的有效性。

图13。另一个单点地面实现。

虽然单点接地是确保隔离电路具有相同的零电压基准的重要概念，但如果接地导体携带信号或电流，则单点接地就不起作用。例如，在图14中，中间和右边的电路没有隔离。从负载返回到中间电路源的电流现在可以选择通过预期的蓝色导体返回，或者通过附加的连接到右边电路并通过“单点”地返回到中间电路。

图14。这不是一个单点地面。

图14中从单点连接到中间电路再到右边电路再回到单点连接的路径有时被称为接地回路。接地回路通常被认为与单点接地不一致，经常被引用为公共阻抗耦合的来源;但这是不正确的。图13有一个接地回路，它仍然是一个很好的单点接地实现。图14中的接地回路包括一个根本不接地的段。中间电路中的蓝色导体在电路板布局中可称为“地”，但它是电流返回导体。

一般来说，只要回路中的所有导体都是真正的接地导体，接地回路就没问题。如果回路中的一个或多个导体是低频电流返回导体，那么回路中的所有导体都将携带部分返回电流。这可以促进共阻抗耦合。

图15说明了误用单点接地概念的另一个例子。这个例子来自一个制造商的应用说明，建议客户如何布局三相电机驱动器。这个想法是为了确保所有三个相都有与电机相同的零电压参考。该实现要求将所有开关电流和电机电流返回到同一点。

图15。单点电流-回报(坏主意)。

当然，这不是单点地。这是单点电流回报。尽管在原理图和电路板布局中，所有导体都被标记为接地，但它们并不是接地。它们是回电流导体。

将所有的开关电流发送到布局中的一个点上，基本上可以确保连接的电感比其他情况下要高。它保证了相位之间具有较高的共阻抗和互感。它还确保没有相位或电机将有相同的零伏特参考。

基本上，重要的是要记住，单点接地是确保隔离电路和设备具有相同的零电压参考的重要策略。另一方面，单点电流回流往往是电磁耦合问题的根本原因。

图16。多点地面。

单点接地策略的替代方案是多点接地策略。图16给出了一个例子。ground是局部定义的，而不是单个点。这本质上是前面描述的地面结构概念。

对于采用地面结构的系统来说，通常将未在多个点上与地面结构隔离的电路和模块连接起来。图17给出了一个简单的例子。

图17。混合接地策略。

在这种情况下，中间和右边电路之间的连接允许低频回流电流在地面结构上流动。在这些频率下，这种结构可以更准确地描述为电流-回流结构。在提出接地策略时，重要的是要认识到导电结构可以在某些频率上发挥接地功能，在其他频率上发挥电流返回功能。

例如，在汽车中，图17中的中间和右边电路可以分别表示制动控制模块和轮速传感器。每个模块都接地在车架上，以满足高频辐射和排放的要求，但两个模块都不允许高频电流返回车架。所以在高频率下，框架是一个多点地面结构。

在较低的频率下，关键通信将使用差分信号来保持信号电流远离帧(并且帧电流远离信号)。然而，权力的理由并不一定是孤立的。通过12伏的电源线进入模块的电流将通过所有可用的路径返回到电池。所以在低频率(例如DC - kHz)框架不是一个接地结构，它是一个电流返回结构。由于一个模块在机架上流过的安培电流可能会在其他模块的接地连接上引起100s毫伏的电流，但大多数模块在非常低的频率下不会受到100s毫伏的影响。

假设图17中左边的电路表示内燃机起动电机的功率分配。当发动机启动时，这个电路可能会产生几百安培的电流。允许这些电流返回到车架上，可能会在使用车架作为功率电流返回导体的模块中引入不可接受的噪声水平。在这种情况下，可以做出一个决定，将返回与启动电机隔离，并将其连接到机架上的一个点。

接地策略

也许关于接地策略最重要的一点是，无论是为了EMC还是安全，正在设计的产品都应该有一个。当把接地导体当作回电流导体，或者把回电流导体当作接地导体时，通常会出现问题。

适当的电流回报策略通常着重于为高频电流提供低电感路径，并保持对低频电流路径的控制。

正确的接地策略专注于识别和保护每个电路和系统的零电压参考。

一种跟踪导线主要起接地作用还是回电流作用的技术是适当地标记它们。例如，将与地面结构的连接称为“底盘地”或“底盘- gnd”，但使用术语“数字返回”或“D-RTN”来指代电路板上的平面，其主要功能是将数字电流返回到其源。制定一个好的基础策略的一半战斗是正确地认识和保护真正基础的完整性。

任何接地策略的另一个重要方面是确定接地结构。在系统层面，地面结构总是金属外壳或框架，如果有的话。在单板层面，如果单板连接到机架，那么单板接地应该是连接发生的地方。如果没有框架，或没有接近框架，电路板接地通常应该定义在一个连接器引脚(通常是0伏电源输入)。

一般来说，所有大型金属物体(如电缆、大型散热器、金属支架等)都应与地面结构连接。如果不可能做到这一点，它们必须与地面结构充分隔离，以保证不会发生重大的不必要耦合。医疗产品和许多高压系统要求在框架或底盘与任何载流电路之间严格隔离。不幸的是，附近的高频电路相对容易在这些结构中诱导微安电流，这足以引起辐射发射问题。在不连接到框架的情况下防止这种情况发生通常需要限制电路带宽，屏蔽电路和/或增加电路与框架之间的距离。

参考文献

[1]电磁兼容(EMC)、电磁脉冲(EMP)和静电放电(ESD)技术美国国家标准词典，ANSI C63.14-1992。