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工程師經(jīng)驗分享:如何因地制宜做好接地設(shè)計

發(fā)布時間:2013-10-24 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】接地?zé)o疑是系統(tǒng)設(shè)計中最為棘手的問題之一,沒有任何一種接地方法能始終保證最佳性能。盡管它的概念相對比較簡單,實施起來卻很復(fù)雜,如果在某些細(xì)節(jié)上處理不當(dāng),可能會導(dǎo)致令人頭痛的問題。下面就來聽聽這位工程師對于復(fù)雜的接地設(shè)計有什么樣的經(jīng)驗之談吧!

接地到底是什么、有哪些?沒有人給出標(biāo)準(zhǔn)答案。但是對于做產(chǎn)品的工程師而言,接地是實實在在擺在眼前的問題,是不可回避的技術(shù)。借此機(jī)會,鑒于個人理解,就來個接地漫談。

第一個問題:接地首先要解決的是系統(tǒng)觀。

“PCB+接口+處理平臺+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。接地在每個環(huán)節(jié)中都至關(guān)重要。如果你的接地觀僅限于PCB板級接地,那么你就OUT了。除非你的PCB板不與其他模塊連接,你的產(chǎn)品不是用來使用的,而是放到陳列室的!

第二個部分: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。

工程師經(jīng)驗:如何因地制宜做好接地設(shè)計
防雷接地:進(jìn)一步的分為直擊雷接地(俗話就是避雷針,專業(yè)叫引雷器)和感應(yīng)雷(專業(yè)叫雷擊電磁脈沖)接地。烏云密布的天,風(fēng)涌云動的,總有摩擦生電,然后合久必分的云塊們帶著電荷再弱弱聯(lián)合,形成大的帶電體,而大地則是具有無限容量負(fù)電荷的海洋(用即成現(xiàn)象地球自轉(zhuǎn)+地磁南北極就判斷了),在靜電引力的作用下,大的帶電云塊,會使對應(yīng)地表感應(yīng)出大量電荷,而大地上的電荷分布存在尖端效應(yīng),(即良導(dǎo)體表面曲率相關(guān)的電荷分布)。在避雷針的針尖部分電場強(qiáng)度就會很大,而陰雨天氣的空氣擊穿場強(qiáng)是比較低的,隨著電荷的不斷累積-感應(yīng)-針尖場強(qiáng)進(jìn)一步增強(qiáng)-達(dá)到空氣擊穿場強(qiáng),這時針尖到云塊之間的空氣氣道就會被電離擊穿形成通道,進(jìn)而泄放電荷到大地或者到云塊,電荷中和后,恢復(fù)平靜。泄放電荷的同時伴隨聲光熱現(xiàn)象,我們就看到閃電聽到打雷聲了,在這種高頻雷電流泄放的同時,在電生磁的磁生電的機(jī)理下,就同時伴隨各種雷擊電磁脈沖的發(fā)生。這樣接地防護(hù)就必須要加一級感應(yīng)雷接地了,這種接地在形式上就是端口各種箝位保護(hù)器件到地以及機(jī)殼接地的等電位連接。

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。
工程師經(jīng)驗:如何因地制宜做好接地設(shè)計

然而工作接地就明顯與上文不同,都是針對信號或者噪聲的,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。信號分為DC和AC,返回路徑是信號在現(xiàn)有物理條件下,按照信號“自身特征參數(shù)”自主選擇出來的。既然這樣,我們能做的就是在一定程度上去預(yù)期設(shè)計物理條件。有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)的是:狗急了會跳墻,兔子急了會咬人,千萬千萬要給信號回流留出通路,不然你會發(fā)現(xiàn)你的產(chǎn)品無論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。這樣就要求我們在想要割地的時候,一定想好有沒有給信號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接地,這里主要提到PCB布局。

我崇尚的設(shè)計理念是能清楚預(yù)測和控制路徑的就人為分區(qū)加分割,不能清楚預(yù)測的就全部完整地平面,只分區(qū)不分割;當(dāng)然實際工作中,產(chǎn)品是多個模塊的,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)說明一些內(nèi)容。

工程師經(jīng)驗:如何因地制宜做好接地設(shè)計

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)計人員想方設(shè)法要做到最低的,但工藝只能這個樣子。

“有人問為什么不在內(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,且必然會通過雜散電容CSTRAY耦合至模擬電路的A點(diǎn)”:針對低負(fù)載(BUFFER負(fù)載)的數(shù)字部分,ID由后級回路阻抗決定,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)字接地層會在AGND和DGND引腳兩端施加VNOISE,帶來嚴(yán)重問題!”這里的VNOISE是指整個AGND平面與整個DGND平面之間的噪聲。這里想表達(dá)的是如果同一個芯片的2個接地引腳跨接在兩個接地平面上會引發(fā)的問題。當(dāng)然這里只是針對這種小數(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,一種是磁場屏蔽,這時,我們不太關(guān)注是否真的要接地,我們只關(guān)注磁場對屏蔽后方的均勻程度,也即是否會變成差模的干擾;另一種是電場屏蔽,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。這和你家墻插有沒有真正的地線有關(guān)。當(dāng)墻插沒有地線時,而你的電腦主機(jī)和電源都是正品的時候,往往你會被不停地電一下的!
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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各項指標(biāo)合格(安規(guī)測試),一般正規(guī)廠家都會在交流輸入級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問題而設(shè)立的,但是它的存在勢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。這個電路也是保護(hù)地、噪聲返回路徑結(jié)合的一個例子。

工程師經(jīng)驗:如何因地制宜做好接地設(shè)計

LNG分別對應(yīng)墻插的火線零線和地線,同時機(jī)箱也是和G相連接的。常規(guī)市電供電,火線L對大地大概220V電壓,這個和墻插有沒有接地?zé)o關(guān)。當(dāng)墻插沒接地線時,也就是說機(jī)殼未接地,那么L對G(機(jī)殼)就會呈現(xiàn)110V左右電壓,G(機(jī)殼)對N(即大地,基于TN-S、TN-C-S供電系統(tǒng))呈現(xiàn)110V電壓,這也就是我們用測電筆點(diǎn)在電腦機(jī)殼上,筆會一直亮著的原因。當(dāng)你碰到機(jī)箱的一瞬間,那么漏電流就會通過L到C1到人體到大地再到N形成回路。當(dāng)然這個電流也是瞬間的,畢竟人體阻抗是很低的,人體接觸后會與C2并聯(lián),打破原來C1、C2的分壓值,進(jìn)而拉低機(jī)殼電位,也就是說瞬間被電后就沒什么感覺了,當(dāng)然你手拿開后再次觸摸機(jī)殼還是會被電一下的。

上面提到了安規(guī),就規(guī)定了這個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,很可能說明自己買到的是正品,是針對安規(guī)進(jìn)行設(shè)計過的!但也不要忘了,盡量給他來個接地(球)的線,不然,就會經(jīng)常被電的!

防靜電接地:摩擦、感應(yīng)和傳導(dǎo)都會都會產(chǎn)生靜電,針對不同應(yīng)用場合,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,比如無線防靜電環(huán)。

這里指針對常見的防靜電措施說一下,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,勢必產(chǎn)生越來越高的電壓,對人和設(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;比如防靜電工作臺和防靜電地板。
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做產(chǎn)品的無論是固定式、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、板級接地等設(shè)計;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,無論保護(hù)接地還是工作接地。下面僅針對隔離型開關(guān)電源供電設(shè)備進(jìn)行接地分析(無論是DC-D還是AC-DC,其抗干擾分析是一致的)。

工程師經(jīng)驗:如何因地制宜做好接地設(shè)計

上圖是隔離型AC-DC開關(guān)電源原理簡圖,其中Cs為變壓器初次級之間的雜散電容,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的是保護(hù)地,中間倒三角符號的是熱地,最后三橫線符號的是負(fù)載設(shè)備的工作地。

首先我們分析這幾個電容的必要性,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)換問題引發(fā)的衰減振蕩噪聲,這類噪聲的頻率可以預(yù)測,幅值可以通過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,尤其針對模擬微弱信號處理的負(fù)載板。

這種噪聲傳導(dǎo)必然通過隔離變壓器的雜散電容CS耦合到次級,那么我們在尋找開關(guān)噪聲的返回路徑時發(fā)現(xiàn),如果沒有C1,噪聲勢必會通過L-N回路返回,并污染電網(wǎng),造成對外電磁輻射超標(biāo)。同時向后,通過雜散電容CS耦合到次級板級供電處,必然也有一條返回路徑C4的存在,才能保證噪聲對后級負(fù)載影響盡量降低。其實這種通過電容連接的方式我們也叫做高頻接地或浮地設(shè)計,這種接地對低頻而言是浮置的。當(dāng)然如果不接電容,EMC各項指標(biāo)都沒法保證的。

以上高頻接地依然存在一個靜電防護(hù)問題,就是當(dāng)PCB負(fù)載為浮地設(shè)計時,可能會有靜電積累,那么勢必會使C4右端電勢不斷抬高,這樣的靜電隱患必須解決,不然對設(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)一個釋放電阻一般選擇兆歐級或者壓敏器件。

以上說明了PCB的工作地和外殼地的兩種連接方式---通過電容進(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,會有什么問題呢?要分情況了:如果保護(hù)地很“干凈”,這種方法很實用;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,同時都有可能通過這種直接傳導(dǎo)方式進(jìn)入電路板,通過共模轉(zhuǎn)差模的方式,進(jìn)而干擾電路板上的正常信號。當(dāng)然還存在低頻接地、高頻懸浮的方式連接二者,比如PCB通過電感連接外殼接地??傊?,接地是因地制宜的,要考慮實際應(yīng)用場所,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)計出來的產(chǎn)品接地才是合格的!

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