1.18 接地设计问题(非常实用)

2023-05-16

目录

1 简介

 2 接地的分类

3 接地的目的

3.1 对地阻抗低

3.2 地平面稳定

  3.3 对地均衡

4 共地耦合干扰

5 常用的基地方式

6 安全地、防雷击浪涌接地的接法


简介

在电路设计的过程中,接地是一个老生常谈的问题。接地方式需要依据具体的使用场景,不存在通用的接地方式。本文我们将解释接地问题的本质,值得细细品味。

 2 接地的分类

相同的硬件电路,如果目的不同接地方式可能也会有差异。总体来说,接地的目的决定了接地的方式。从性能上来说,接地主要可以分为以下四种:

  1. 安全接地;

  2. 工作接地,包含数字地、模拟地、功率地;

  3. 防浪涌接地;

  4. 防静电接地;

3 接地的目的

接地的主要目的主要有三大类,分别为对地阻抗低、地平面稳定、对地均衡。接下来,主要从这三个方面展开说明:

3.1 对地阻抗低

对地阻抗低就是尽可能的减少与地平面之间的阻抗,这种地阻抗是要区分是低频和还是高频应用场景。假如我们在信号平面和地平面之间串一个很大电阻,如下图所示:

分析:

  1. 低频信号从信号平面流到地平面时,大电感相当于导线直接接地,此时表现出来的特性就是低阻抗。
  2. 高频信号从信号平面流到地平面时,大电感呈现出较大的阻抗,测试表现出来的特行就是高阻抗。

3.2 地平面稳定

地稳定是对地的阻抗足够地,电流比较容易直接泄放到地,同时在导线上几乎不会产生压降。将像辽阔的海洋中,汇入多少调河流都波澜不惊。

  3.3 对地均衡

对于电源或者信号,对于我们真正有价值的往往是它们之间的压差。存在一种场景,一个电路当受到外部的干扰时,两个平面上的电压整体上升(差模电压保持不变,共模电压增大),具体见下图。其实电路通常依然能正常工作,并且这种场景在生过其实物品们经常会遇到。

 一个静电脉冲通过空气打到电路板上,针对局部的电路,距离远近的不同,肯定会导致产生静电感应的压差。这时候用一块金属板隔一下的话,即使该金属板浮空,对金属板后面的电路板来说,感应的将是均匀的电场,虽然感应干扰仍然存在,但起码电路上是基本均衡的。当然如果此金属板接地更好啦。当然共模电压一般不会维持住,因为传输线的阻抗不均匀,往往会转成差模电压干扰,地均衡的问题最好不要让我们面对,但没办法的时候,如浮地设备,不得不受到静电冲击的电路板,防护时候要考虑地均衡问题。

4 共地耦合干扰

共地耦合干扰这个是处理接地的核心问题。

在一个戏剧院里,有三个大厅分别大厅a、大厅b、大厅c,出口仅有一个。当三个大厅同时三场时,大厅c的面积较大,容纳的人也越多。那么大厅c内部的 看客的 退场将会影响大厅a和大厅b内部人员的退场。(大厅a、大厅b、大厅c相当于三条对地的回流路径,走道相当于共地阻抗)

以下图为例,图1中,RAB段的电阻就是共地阻抗部分,流过这段的地电流Io、Ia、Id三部分在这段会相互影响;如果这三个电流差别较大,差出了1-2个数量级的话,相互之间的影响就不可以忽视了,尤其是某个弱地电流支路是用于定量测量、放大或AD转换电路的时候;图2则把Id对另外两个之路的影响隔离掉了;图3则是三个地电流全部分别隔离了。

5 常用的基地方式

基本思路是,在设计上,把安全保护地、工作数字地、工作模拟地、工作功率地、雷击浪涌地、屏蔽地先确保各自独立的单独连接,最后在系统联调的时候,再根据各地之间要解决的问题,即根据接地的目的,将这几个地按照下列的之间的联接方式处理下,连接方式包括:

序号

接地方式

描述

1

直接接地

适合中地频率,这类导线上有一定的走线电感和走线电阻,对高频波动地电流,在电感作用下,电缆起到的是大阻抗的作用,相当于低频接地,高频下大阻抗接地了,基本不能实现高频下的可靠导通。

2

大电阻接地

大电阻的特点是一旦电阻两端出现压差,就会产生很弱的导通电流,把地线上电荷泻放掉之后,最终实现两端的压差=0V,这个特点在希望电荷泻放,但又不希望快速泻放的时候

3

小电阻接地

小电阻要解决的问题是增加了一个阻尼,阻碍地电流快速变化的过冲,在电流变化时候,使冲击电流上升沿变缓,相当于晶振输出端、总线输出端为减少过冲振铃的匹配电阻。

4

电感接地

一般用用在电流电流波动加大的场合,电感具有抑制电路状态变化的特性,通过电感的连接,可以销峰填谷

5

磁珠接地

一般应用在弱信号与地之间,磁珠等同于一个随频率变化的电阻,它表现的是电阻特性,是耗损性质的;电感则是储能性质的,相当于削峰填谷。所以跨接磁珠的地之间一般是有快速小电流波动的状态,因为磁珠会饱和,电流太大了,它消耗不了。

6 安全地、防雷击浪涌接地的接法

因为雷击浪涌、安全地的电流一般会远大于信号电流对人的危害,这两个接地建议分别单独接到大地,在真正的大地处单点相接,尤其是防雷击接地。

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