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關(guān)于電子設(shè)計(jì)和 PCB 布局中的接地
關(guān)于電子設(shè)計(jì)和 PCB 布局中的接地
盡管?chē)?guó)際標(biāo)準(zhǔn)試圖將概念和術(shù)語(yǔ)分開(kāi)，但接地技術(shù)、接地、進(jìn)行接地連接和底盤(pán)接地的概念在電子產(chǎn)品中都非常復(fù)雜。接地在電子設(shè)計(jì)、電氣工作的各個(gè)方面都很重要，當(dāng)然，在 PCB 設(shè)計(jì)中也很重要。所有電路都需要一個(gè)參考連接，這就是我們所說(shuō)的接地，但對(duì)于不同的系統(tǒng)，確切的參考以不同的方式定義。
如果您不確定接地在不同類型的電子設(shè)備中如何工作以及如何使用接地連接，那么沒(méi)有適用于每個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單答案。不同類型的電子產(chǎn)品將有不同的方式來(lái)定義它們的電勢(shì)參考，并且所有接地并不總是處于相同的電勢(shì)，這與您在電子入門(mén)課程中可能學(xué)到的相反。在本文中，我們將采用系統(tǒng)級(jí)方法來(lái)定義和集成數(shù)字接地、模擬接地、機(jī)箱接地以及最終的接地連接。繼續(xù)閱讀以了解接地最終如何連接到您的 PCB 并最終連接到您系統(tǒng)中的每個(gè)組件。
電路中的接地是什么？它有什么作用？
有幾種定義理由的方法，這取決于你問(wèn)的是誰(shuí)。物理學(xué)家以一種特定的方式（主要是理論上的）定義它，而電工和電氣工程師可能從字面上指的是你腳下的地面（大地）。在電子學(xué)中，我們有時(shí)將接地稱為可互換地執(zhí)行各種功能。以下是電子產(chǎn)品中接地的一些主要功能：
接地提供了一個(gè)用于測(cè)量電壓的參考點(diǎn)。所有電壓都是根據(jù)兩點(diǎn)之間的電場(chǎng)（和勢(shì)能）定義的。這些點(diǎn)之一可以定義為“0 V”，碰巧我們稱這個(gè) 0 V 參考為“地”。這就是我們說(shuō) PCB 中的地平面是“參考平面”的原因之一。
接地可用于為電源返回電流提供路徑，從而完成電路。
從概念上講，地面充當(dāng)一個(gè)大的電荷庫(kù)，它也定義了電流的方向。由于我們將接地作為我們的 0 V 參考，高于或低于該值（正或負(fù)）的電壓將驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)于接地位置的不同方向。
接地提供了電場(chǎng)終止的點(diǎn)。這實(shí)際上是第一點(diǎn)的變體。如果您曾經(jīng)在電磁學(xué)課程中解決圖像方法問(wèn)題，您應(yīng)該記住，接地被定義為專門(mén)保持在 0 V 的等勢(shì)面。請(qǐng)注意，此定義也適用于保持在特定電壓下的任何導(dǎo)體（例如，PCB 中的電源層）。
完美接地導(dǎo)體上的電壓降為 0 V。換句話說(shuō)，如果您測(cè)量接地參考中任意兩點(diǎn)之間的電壓，則應(yīng)始終測(cè)量為 0 V。這是上面第 2 點(diǎn)的重述。
在 PCB 設(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常根據(jù)第 1 點(diǎn)和第 3 點(diǎn)談?wù)摻拥?，因?yàn)樗x了如何向組件供電，以及如何在設(shè)計(jì)中測(cè)量數(shù)字/模擬信號(hào)。EMI/EMC 人員有時(shí)會(huì)根據(jù)第 4 點(diǎn)談?wù)摻拥?，因?yàn)檫@基本上描述了屏蔽材料的功能。每個(gè)人都接受第 5 點(diǎn)為福音，盡管第 5 點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)中并沒(méi)有發(fā)生。
既然我們已經(jīng)涵蓋了這些要點(diǎn)，就需要了解一些關(guān)于電子產(chǎn)品中接地和各種類型接地的事情。
所有的理由都是不完美的
盡管所有接地區(qū)域都旨在具有上述特性，但導(dǎo)體的真實(shí)性質(zhì)意味著它們?cè)谟米鹘拥貐⒖紩r(shí)的功能不同。此外，接地區(qū)域的幾何形狀決定了它如何與電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互作用，進(jìn)而影響電流進(jìn)入接地區(qū)域和在接地區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)方式。這就是為什么不同的信號(hào)將具有取決于其頻率內(nèi)容的特定返回路徑的原因。此外，所有地都具有非零電阻，這導(dǎo)致了關(guān)于真實(shí)地的下一點(diǎn)。
并非所有地都在 0 V
懸空的導(dǎo)體或系統(tǒng)中參考不同電源的導(dǎo)體可能不具有相同的 0 V 電位。換句話說(shuō)，您可以為兩個(gè)不同的設(shè)備提供兩個(gè)接地參考，它們都連接到同一個(gè)參考，但是如果您測(cè)量它們之間的電位，您將測(cè)量到非零電壓。
在電源系統(tǒng)中，通常在電路中使用電容器接地以利用接地之間的電位差來(lái)提供EMI 濾波。
當(dāng)兩個(gè)設(shè)備將同一導(dǎo)體作為接地連接時(shí)，甚至?xí)l(fā)生這種情況。如果您要測(cè)量長(zhǎng)導(dǎo)體上的電位差（例如，使用萬(wàn)用表），它可能不為零，這意味著一些電流正在沿著導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)。沿著大地或兩個(gè)接地連接之間的這種電位差稱為“接地偏移”。在較大的多板系統(tǒng)中，或在工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域，接地偏移是使用差分信號(hào)（例如，CAN 總線、以太網(wǎng)等）的驅(qū)動(dòng)因素之一。由于差分協(xié)議使用兩根導(dǎo)線之間的電壓差，因此它們各自的接地參考無(wú)關(guān)緊要，并且仍然可以解釋信號(hào)。
在電子領(lǐng)域，新設(shè)計(jì)師很容易被 PCB 設(shè)計(jì)中涉及的各種接地術(shù)語(yǔ)混淆：數(shù)字、模擬、系統(tǒng)、信號(hào)、底盤(pán)和接地。再加上代表地面的符號(hào)是混合的并且經(jīng)常被濫用，我這樣做純粹是為了方便而感到內(nèi)疚。無(wú)論如何，有一些標(biāo)準(zhǔn)接地符號(hào)用于電氣和電子工程，包括在您的電子原理圖中。
使用 IEC 60417 標(biāo)準(zhǔn)中定義的符號(hào)在示意圖中標(biāo)出不同類型的接地連接。PCB設(shè)計(jì)中常用的常用符號(hào)如下所示：
信號(hào)地符號(hào)可用于數(shù)字或模擬地，只需確保應(yīng)用正確的網(wǎng)絡(luò)名稱（我有時(shí)使用 AGND 表示模擬地，而 DGND 表示數(shù)字地）。機(jī)箱接地有時(shí)會(huì)連接回大地，具體取決于系統(tǒng)的構(gòu)造方式和接收電源的方式。最后，安全接地有時(shí)可以通過(guò)零線直接接地，或連接到機(jī)箱，或者可能通過(guò)低電感機(jī)箱連接接地。
術(shù)語(yǔ)“接地”，或在電子產(chǎn)品中簡(jiǎn)稱為“地球”，是指與地球的字面連接。換句話說(shuō)，地球的電位被用作我們的 0 V 參考。如果您曾經(jīng)看過(guò)一根帶有電線的電線桿，您有時(shí)會(huì)看到一根電線從電線桿的側(cè)面向下延伸到泥土中。這是接地連接不完善，因?yàn)檠仉娎|的土壤中的電阻可能很高。然而，使用大地可提供大量電荷，這是理想接地連接的特征。當(dāng)負(fù)載消耗功率時(shí)，此連接不用于承載電流，它僅在耗散寄生電流（例如，噪聲或 ESD 事件）時(shí)承載電流。
在電子產(chǎn)品中需要注意的重要一點(diǎn)是，并非所有系統(tǒng)都有底盤(pán)接地。通常，該術(shù)語(yǔ)是指外殼中的金屬機(jī)箱，并與機(jī)箱進(jìn)行連接。在 3 線 AC 系統(tǒng)（火線、中線和地線）或 3 線 DC 系統(tǒng)（DC+、DC 公共線和地線）中，機(jī)箱接地通常在電源進(jìn)入的點(diǎn)連接到接地插入系統(tǒng)。系統(tǒng)的一部分也可以連接到底盤(pán)接地以吸收噪聲或出于安全原因（例如，ESD 保護(hù)），如下所示的示例。這種安排為 3 線連接上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過(guò)濾。
此原理圖中的機(jī)箱接地直接連接到電路板，并帶有一個(gè)連接到外殼的低電感接地觸點(diǎn)。請(qǐng)注意，連接器上的引腳 3 是地線。
這種類型的接地連接提供兩個(gè)功能：
由于底盤(pán)現(xiàn)在設(shè)置為全局 0 V 參考電位，底盤(pán)現(xiàn)在充當(dāng)法拉第籠并提供寬帶屏蔽。
它提供了一種安全功能，可將寄生電流（ESD、短路或噪聲）消散回大地。這就是我們有時(shí)將底盤(pán)接地稱為“安全接地”的原因之一。
在電池供電系統(tǒng)或具有簡(jiǎn)單 2 線直流電源連接的系統(tǒng)中，PCB 接地層可以通過(guò)安裝孔連接回機(jī)箱。這里的想法是確保沒(méi)有浮動(dòng)導(dǎo)體，因?yàn)槲唇拥氐膶?dǎo)體可以充當(dāng)輻射器。電路板上未接地的機(jī)箱或其他浮動(dòng)導(dǎo)體可能是輻射 EMI 的來(lái)源，可通過(guò)接地來(lái)輕松消除。
模擬和數(shù)字接地
模擬接地和數(shù)字接地是與接地和機(jī)箱接地不同的兩個(gè)問(wèn)題。通常在 PCB 上，您可以有一個(gè)如上所述的機(jī)箱接地連接和接地連接以確保安全。同時(shí)，您應(yīng)該在 PCB 上有一個(gè)接地層，支持模擬和數(shù)字返回路徑；你不應(yīng)該有物理分離的地網(wǎng)。這些物理分離的接地在堆疊中重疊時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射發(fā)射，特別是在平行板波導(dǎo)頻率下。相反，通過(guò) PCB 中的單個(gè)接地參考執(zhí)行所有操作
要了解有關(guān)模擬和數(shù)字接地點(diǎn)的更多信息，請(qǐng)閱讀有關(guān)星形接地的這篇文章，因?yàn)樗忉屃瞬粦?yīng)使用物理分離的接地層的主要原因。
您應(yīng)該將信號(hào)地接地嗎？
您很少會(huì)直接執(zhí)行此操作。這可能適用于正在測(cè)試的高壓直流電池/PSU 或類似系統(tǒng)。通常，您可以將機(jī)箱接地連接到大地，然后連接到參考輸入側(cè) PCB 接地層的電路。在非隔離的 3 線交流系統(tǒng)中，或在整流為直流的 3 線交流系統(tǒng)中，如果您將電路中的信號(hào)參考地連接到大地，您只是將交流上的負(fù)極線短路或直流線。不要這樣做，因?yàn)楝F(xiàn)在底盤(pán)可能是一個(gè)大的載流導(dǎo)體！現(xiàn)在存在電擊（在高壓/電流系統(tǒng)中）或強(qiáng)烈 EMI（在高頻系統(tǒng)中）的風(fēng)險(xiǎn)。完成此操作后，只要這是返回接地電抗最小的路徑，電流就會(huì)返回接地連接，
在 2 線制系統(tǒng)（無(wú)接地連接）中，關(guān)于如何或是否將信號(hào)接地連接回機(jī)箱有不同的指南。一些指導(dǎo)方針說(shuō)多點(diǎn)接地是可以的，其他人說(shuō)在 I/O 附近使用單點(diǎn)，還有一些人說(shuō)為了安全起見(jiàn)使用靠近電源連接器的單點(diǎn)。如果 RF 噪聲是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)問(wèn)題，您可以在多個(gè)點(diǎn)連接到機(jī)箱以消散噪聲，但您的布局中可能存在更大的問(wèn)題，因?yàn)槟鷽](méi)有正確構(gòu)建疊層，而設(shè)備只是接收太多無(wú)線電能量。專注于正確構(gòu)建疊層，您可能不需要在整個(gè)板上縫合安裝孔連接，您只需要在幾個(gè)點(diǎn)上即可。在這種情況下，您不應(yīng)連接回地面。
PCB接地技術(shù)總結(jié)
由于 PCB 是容納電子設(shè)備的容器，因此正確接地非常重要。正如我們上面所討論的，您的接地策略與安全性、EMI/EMC 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)，因此正確執(zhí)行非常重要。雖然您的設(shè)計(jì)中存在多個(gè)接地似乎令人困惑，但最好的原理圖編輯器工具和 PCB 布局軟件將幫助您在創(chuàng)建物理布局時(shí)跟蹤整個(gè)設(shè)計(jì)中的接地網(wǎng)絡(luò)。