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有幾次做培訓(xùn)的時候，答疑期間屢屢被問到一個問題，“接地是產(chǎn)品安規(guī)設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)的一個極重要的問題，并且聽起來很簡單，幾乎每個設(shè)計(jì)者都在做，但真正做好的也不多，你能不能給出一種好的接地方法來，總結(jié)成放之四海而皆準(zhǔn)的接地設(shè)計(jì)規(guī)律來”。提出此看法的工程師有電力電子設(shè)備的、醫(yī)療電子設(shè)備的、還有IC設(shè)計(jì)的和大型強(qiáng)弱電綜合系統(tǒng)集成的，這些不同的專業(yè)，又因?yàn)槠鋺?yīng)用環(huán)境的不同，產(chǎn)品特點(diǎn)的不同而導(dǎo)致了接地的各種特色。經(jīng)過了半年多的思考提煉，我把接地的規(guī)律性、基礎(chǔ)性的思維方法總結(jié)出來，希望它能成為放之四海而皆可用的萬能鑰匙。
接地的定義是電流回流的最小阻抗路徑。此定義有點(diǎn)晦澀難懂，但它有一點(diǎn)是很明確的，它秉承了“有奶便是娘”的人生哲學(xué)，是典型的機(jī)會主義，哪條通路阻抗小，電流就往哪條路去，這一條提示我們注意：接地的導(dǎo)通通路未必就是我們所認(rèn)為所設(shè)計(jì)的那條路徑，因?yàn)槟菞l路徑可能不是最小阻抗的，千萬不要想當(dāng)然認(rèn)為我給你畫出了路子，你就必須得走。魯迅先生寫道“世上本沒有路，走的人多也便成了路”。所以電路設(shè)計(jì)中，要有意識的將可能但我們不希望產(chǎn)生電流接地通路的地方cut掉，讓電流走唯一的路徑到地，我們設(shè)計(jì)的措施也將會針對性強(qiáng)得多。
這里面有一個最簡單的設(shè)計(jì)例子，電路板的安裝柱一般用金屬的，并且習(xí)慣性的接到金屬殼上去，將電路板的信號地和外殼保護(hù)地接了起來，此方法正確與否下面會有專題探討，這里只說一點(diǎn)，安裝柱一般不會只有一個，這樣的原因，電流的回流路徑就可能不止一個了。信號連接器的外殼是否接地、屏蔽電纜層是否接地、金屬機(jī)箱的各組成殼體之間的接觸是否良好、外殼或固定電路板的金屬安裝板之間的連接阻抗是否足夠低，等等地方都會涉及到這個問題。所以地通路要做被設(shè)計(jì)者玩弄于股掌之間，運(yùn)籌于帷幄之內(nèi)。
地有幾個作用，在不同的地方作用可能不同，要識別清楚，因?yàn)椴煌猛镜脑O(shè)計(jì)重點(diǎn)可能不同，就像男人，在單位的是經(jīng)理，在家里是修理工。地主要有三個作用，信號回流、平衡電位、泄放電流。區(qū)別在哪呢？
回流就是去流信號要從地線回來，地線的阻抗大了會產(chǎn)生壓降引起信號失真、信號和地組成的環(huán)路會引入空間輻射干擾(右手定則可以分析出來)、非獨(dú)立地線(公用地線)會因?yàn)榧仔盘柕牟▌訉?dǎo)致地線漂移，而乙信號受到影響。如下圖：GA段和AB段是公共阻抗，電路1、電路2、電路3流經(jīng)公共阻抗的回流信號會導(dǎo)致地線基準(zhǔn)發(fā)生飄移，如果電路1和電路2之間發(fā)生了信號的傳遞，地線基準(zhǔn)的不同將引起信號數(shù)據(jù)的失真。這個就是多點(diǎn)接地、單點(diǎn)接地、混合接地的問題。
如果是平衡電位的，地線各部分之間導(dǎo)通電阻就要足夠小，不然不能做到地電位的均衡性。如果是泄放電流的，就要保證入地阻抗足夠低，并且地線要能耐大電流，比如防雷接地的地線。
另一個就是靜電接地和普通接地的區(qū)別。一提到接地，都是阻抗越低越好，但對靜電接地不然，靜電接地阻抗一般在1M-1000M歐姆，原因是阻抗太高等同于絕緣，積累的電荷泄放不掉，這個道理與普通接地?zé)o異，但導(dǎo)通阻抗太低，泄放得太快也不是好事，因?yàn)樵谟杏秒娐飞戏e累的靜電荷，如果瞬間泄放的話，會導(dǎo)致不可控的電路上有瞬間尖峰電流通過，對芯片內(nèi)部的走線、PCB的信號線、電氣接觸的觸點(diǎn)等地方會產(chǎn)生影響，導(dǎo)致不可見的累積性損傷，當(dāng)時看不出來，日久年深出現(xiàn)問題，比如電容的漏電流超標(biāo)就可能是其一個可能的后果。
雖然地的作用都是把電荷導(dǎo)入大地，那是否保護(hù)接地、防雷接地、信號接地是否可以接到一起。答案自然是不能，原因何在？雷電浪涌的釋放電流偏大，瞬間釋放，即使導(dǎo)通阻抗再低，也會產(chǎn)生很大壓降，這個電壓對其它弱信號的影響就大了。另外，這個電荷瞬間泄放不掉的話，還會反激到其他電路中去。打雷時家里電器被毀有一些就是這個因素。
接地設(shè)計(jì)還有個容易產(chǎn)生問題的誤區(qū)，我們常常把地接上了，萬用表一測，導(dǎo)通阻抗很低，就基本不會考慮接地的啥問題了，但正應(yīng)了一句話“很多人不是死于疾病，而是死于治療本身”。這里面恰恰就有一個微觀的問題，接地線本身如果僅是一根銅線的話，雖然導(dǎo)通阻抗不高，但萬用表測出的僅僅是直流電阻，而線纜上是有電感的，低頻或直流時候，電感效應(yīng)不明顯，在高頻的時候，接地線的高頻阻抗就很大了，地線上的高頻干擾不能被及時泄放掉，于是會產(chǎn)生電磁兼容問題，因?yàn)榈鼐€的波動會與信號端產(chǎn)生差模干擾。一般的專業(yè)接地設(shè)備、或在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室里，接地都用扁平金屬蛇皮電纜或?qū)挼你~皮，其道理就是減小地線的電感效應(yīng)，達(dá)到低高頻阻抗的目的。這是一個高頻思維的問題，要把它和直流思維分開。
多點(diǎn)接地、單點(diǎn)接地、混合接地到底哪一個好，這是一個已經(jīng)爭論了很久，估計(jì)還將持續(xù)爭論下去的話題，給出一個經(jīng)驗(yàn)型的參考來。首先鼓勵單點(diǎn)接地，但當(dāng)單點(diǎn)接地情況下，地線的長度大于或等于線上信號波長的1/20的時候，就不能單點(diǎn)接地了，要換成多點(diǎn)接地，且接地點(diǎn)之間的距離不超過信號波長的1/20。
曾經(jīng)碰到過這樣一個案例，A設(shè)備接地良好，單機(jī)調(diào)試ok，在機(jī)房與B機(jī)信號電纜相連，只要一連上，空開就跳閘，漏電流超標(biāo)，兩臺設(shè)備單獨(dú)用時都沒問題。這是一個系統(tǒng)接地和單機(jī)接地的問題。這在具體設(shè)計(jì)時候進(jìn)行控制和分析即可，沒有太特別的地方。只是注意盡量不要為其他設(shè)備提供輔助電源，盡量考慮現(xiàn)場接地不良情況下對機(jī)器可能的影響，因?yàn)榻拥夭涣冀?jīng)常存在。
以上簡單論述了接地幾個需要注意的地方，也是比較常見的問題和誤區(qū)。希望引起足夠的警惕，避免“沉舟側(cè)畔千帆墮，病樹前頭萬木枯”的局面發(fā)生起來。
作者：武曄卿 |
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發(fā)表于 2010-6-13 10:56:37
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發(fā)表于 2010-6-19 19:47:15
