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朱振刚 日记

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接地分析  

2017-05-30 20:58:17|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、地的分类

工程师在设计电路时,为防止各种电路在电路正常工作中产生互相干扰,使之能相互兼容地有效工作。根据电路的性质,将电路中“零电位”———“地”分为不同的种类,比如按交直流分为直流地、交流地,按参考信号分为数字地(逻辑地)、模拟地,按功率分为信号地、功率地、电源地等,按与大地的连接方式分为系统地、机壳地(屏蔽地)、浮地。不同的接地方式在电路中应用、设计和考虑也不相同,应根据具体电路分别进行设置。

1、信号地

信号地(SG)是各种物理量的传感器和信号源零电位以及电路中信号的公共基准地线(相对零电位)。此处信号一般指模拟信号或者能量较弱的数字信号,易受电源波动或者外界因素的干扰,导致信号的信噪比(SNR)下降。特别是模拟信号,信号地的漂移,会导致信噪比下降;信号的测量值产生误差或者错误,可能导致系统设计的失败。因此对信号地的要求较高,也需要在系统中特殊处理,避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰地线直接连接。尤其是微小信号的测量,信号地通常需要采取隔离技术。

2、模拟地

模拟地(AG)是系统中模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的处理,又承担大信号的功率处理;既有低频的处理,又有高频处理;模拟量从能量、频率、时间等都很大的差别,因此模拟电路既易接受干扰,又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。减小地线的导线电阻,将电路中的模拟和数字部分开,在PCB布线的时候,模拟地和数字地应尽量分开,最后通过电感滤波和隔离,汇接到一起。如图1所示。


模拟地和数字地

3、数字地

数字地(DG)是系统中数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态,特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时,会在电源系统中产生比较大的毛刺,易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。尽量将电路中的模拟和数字部分分开,在PCB布线的时候,模拟地和数字地应尽量分开,最后通过电感,汇接到一起。

4、悬浮地

悬浮地(FG)是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接,而是通过变压器耦合或者直接不连接,处于悬浮状态。该部分电路的电平是相对于自己“地”的电位。常用在小信号的提取系统或者强电和弱点混合系统中。

其优点是该电路不受系统中电气和干扰的影响;缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加对模拟电路的感应干扰。由于该电路的地与系统地没有连接,易产生静电积累而导致静电放电,可能造成静电击穿或强烈的干扰c 因此,悬浮地的效果不仅取决于悬浮地绝缘电阻的大小,而且取决于悬浮地寄生电容的大小和信号的频率。

在图2所示的VDD-SGND的电源供电系统中,所有工作点相对的地都是SGND,但是SGND和DGND之间是电平处于悬浮状态,VDD-SGND的电源供电的系统与整个系统的连接完全通过变压器耦合,在这里设计的时候需要注意信号的连接方式。


悬浮地变压器耦合

5、电源地

电源地是系统电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元,而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别,因此既要保证电源稳定可靠的工作,又要保证其他单元稳定可靠地工作。同时,电源系统功耗比大,在单层板或者双层板中地线的线宽必须加粗。若在多层板中,则应以一层或者多层作为系统的地平面。

6、功率地

功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高,所以功率地线上的干扰较大,因此功率地必须与其他弱电地分别设置、分别布线,以保证整个系统稳定可靠地工作。

二、接地方式

在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz~10MHz时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的1-20,否则应采用多点接地法。工作接地按工作频率而采用如图3所示几种接地方式。


信号接地方式

(一)单点接地

工作频率低(<1MHz)的采用单点接地式(即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点,所有对地连接都接到这一点上,并设置一个安全接地螺栓),以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种(如图4所示)。由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合,所以低频电路最好采用并联的单点接地式。


串联接地和并联接地

为防止工频和其他杂散电流在信号地线上产生干扰,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘,且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连(浮地式除外)。

(二)多点接地

工作频率高(>10MHz)的采用多点接地式(如图4-5所示)。在该电路系统中,用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比,工作频率高时将增加共地阻抗,从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰,所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时,尽量找最接近的低阻值接地面接地。此处电路板最好设计为多层电路(4层以上),提供一层作为地平面。


多点接地

(三)混合接地

工作频率介于1MHz~10MHz, 的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时,采用单点接地式,否则采用多点接地式。根据系统的需求和电路的需要进行合理的安排。

(四)悬浮接地

悬浮接地是系统的地与大地不直接连接,而是通过变压器耦合或者直接不连接,处于悬浮状态。悬浮接地应注意以下几点:

(1)尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻,从而有利于降低进入浮地系统中的共模干扰电流,保证系统的可靠性。

(2)注意浮地系统对地存在的较大寄生电容,高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中,在设计时一定要注意。

(3)悬浮接地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用,才能收到更好的预期效果。

(4)采用浮地技术时,系统容易积累静电,当静电积累到一定应程度后,可以对人和设备产生很多的损害,所以要注意静电和电压反击对设备和人身的危害。

三、接地电阻

(一)对接地电阻的要求

对电路系统而言,接地电阻越小越好,因为当有电流流过接地电阻时,其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外,还会使设备受到反击过电压的影响,并使人员受到电击伤害的威胁,同时还带来系统的工作的不稳定性和发热。为了保护系统的正常工作,我们在设备接地时对接地电阻提出要求,一般要求接地电阻小于4Ω;对于移动设备,接地电阻可小于10Ω。系统接地的等效电路如图4-6所示。系统接地不好,还会带来寄生电感和寄生电容,这些可以导致地平面发生振荡。


接地电阻的影响

(二)降低接地电阻的方法

接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻三部分组成。为此,降低接地电阻的方法有以下三种:

1、降低接地线电阻

降低接地线电阻的方法有增大导线的宽度,或者采用多层板,给出一层或者多层电源层,降低导线的内阻。信号层可以对采用覆铜的方式。覆铜的类型有:

(1)整板(全部)覆铜;

(2)局部(部分)覆铜;

(3)分区覆铜(用于地种类复杂,而且地线有不同的分区,比如模数混合电路);

(4)分网络覆铜(系统的特许需要,对某个或者几个特定的网络覆铜)。

2、降低接触电阻

降低接触电阻,为此要将接地线与接地螺栓、接地极牢靠地连接,同时要考虑系统接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。增加地极和土壤之间的接触面积与紧密度,可以减小接触电阻。

有的设备为了降低接触点之间的电阻,在接触点采用导电性能良好的材料;为了防止金属被氧化而增加接触电阻,必要时可以在接触点镀银或者镀金来保持良好的接触效果,减小接触电阻。

3、降低地电阻

降低地电阻,有些特殊系统,必须增加接地极的表面积和增加土壤的导电率(如在土壤中注入盐水)。

则系统的垂直接地极接地电阻R为:


接地电阻计算公式

例如,黄土ρ取200Ω.m,L为2cm,d为0.05,则垂直接地极接地电阻R为80.67Ω。

如在土壤中注入盐水,使ρ=20Ω.m时,则接地极接地电阻R为8.067Ω。

从上面的比较中,可以清楚地看出,接地电阻随着大地电阻率降低而减少。在一些特许系统中,对接地电阻和地电阻要求比较严格时,降低大地的电阻率,增加大地的导电性能是一个很好的办法。

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