地的处理在电源完整性中起着至关重要的一环,低速电路中,大家对电源完整性和信号完整性不是很在意,但是在高速电路中,电源完整性(PI)和信号完整性(SI)虽说是两个不同概念,但却是相辅相成的关系,都很重要。

 

本文主要聊一聊电子设备中接地的一些概念。


▉ 接地的含义

电子设备中一般有两种地,一种叫“大地”,也被称为安全地,另一种是“系统基准地”,也被称为信号地。

 

“接大地”指的是以地球的电位为基准(以大地作为零电位),把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连接,我们家里很多大功率电器都是三角插头,其中一个就是用来接大地。

 

接大地的主要的作用就是泄放静电,泄放静电一个是提高设备电路工作的稳定性,还有一个是给操作者提高安全保障。

 

一些电子设备电路中,虽说没有直接接大地,但是也有系统基准地(信号地),以假设的一个点来作为基准0电平,对电源来说,就是负极,这部分地没有处理好,同样也会影响系统的正常工作。

 

▉ 接地的目的

在电子设备中良好的接地是抑制电磁干扰、提高电子设备EMC性能的重要手段之一,提高抗干扰能力,并能减少对外的EMI发射,可以称之为屏蔽地,上面接大地说的泄放静电,可以称之为保护地/防静电接地。

 

▉ 接地的方式

接地的方式主要有四点:单点接地、多点接地、浮地和混合接地。

 

 

1、单点接地:如上右图所示,系统只有一个物理点被定义为接地参考点,电路上需要接地的部分都连接到这一点。单点接地适用于低频电路,一般频率小于1MHz,主要是因为低频电路对地阻抗敏感度不高。

 

数字地和模拟地、DC-DC的功率地和信号地通常都采用单点接地,此单点接地的物理点多用0欧姆电阻或者磁珠连接至主地。

 

2、多点接地:系统工作频率变高之后,一般10MHz以上,建议采用多点接地。如上左图所示,多点接地是将各个接地点直接连接到距离它最近的接地平面上。

 

3、浮地:其有一个重要的应用是交流电源地和直流电源地分开,交流电源的零线一般接地,采用浮地技术,避免了零线上的干扰影响到直流电源。

 

4、混合接地:指单点接地和多点接地的组合,下图所示,两个系统的接地点都组合到一个公共点,多见于复杂的电路系统中,既有模拟/数字电路,也有高频/低频电路。

 

 

▉ 接地的原则

采用单点接地还是多点接地,是一个复杂的问题,各有利弊,所以不同的电路场合选择也不一样。

 

理想的地线其实是零电位、零阻抗的,实际的地线会有电阻和电抗分量,一旦有电流流过时,就会在上面产生电压降。当信号线与地线构成回路,可变磁场耦合到此回路时,会在回路中产生感应电动势,并由地回路耦合到负载,构成潜在的EMI威胁。

 

DC-DC功率地和信号地采用单点接地还是多点接地好,其实是一个折中选择,采用单点接地,避免了DC-DC脏的功率地影响其他的地,但是单点接地,这部分地阻抗相应的会增加,如果没有一个相对好的回流路径,也是会影响DC-DC的正常工作,从而也会辐射出一些干扰。

 

系统的工作频率变高之后,工作波长与接地引线的长度可比拟时,单点接地会有问题。当地线的长度接近于1/4波长时,它就像一根终端短路的传输线,地线的电流、电压呈驻波分布,地线变成了辐射天线,而不能起到“地”的作用(这句话的意思是地的基准电平会改变,不是0)。

 

多点接地电路简单,高频驻波会减少,缺点是电路中会增加很多接地环路,一定程度上会降低会外界磁场的抵御能力。

 

所以接地的一般选取规则为:
1、低频电路(<1MHz),建议采用单点接地。
2、高频电路(>10MHz),建议采用多点接地。
3、高低频混合电路,采用混合接地。

 

那么如何确定一个电路是高频还是低频电路呢?

 

高频一般多见于无线通信领域,包括常见的:
BT/WiFi:2.4GHz/5GHz
GPS L1频段:1575.42±1.023MHz
GPS L2频段:1227.60±1.023MHz
GPS L5频段:1176.45±1.023MHz
GSM 850/900/1800MHz、WCDMA、LTE等