硬件电路设计之接地问题

01简介

在电路设计中，“接地”是一个无法避免的问题。接地需要考虑的主要因素：使用场景，不存在通用的接地方式。本文我们将以一种通俗易懂的方式谈谈接地问题的本质。

02接地分类

接地目的决定了接地的方式，从接地的性能上来说，接地主要可分为以下四类：

安全接地 。

工作接地 。

浪涌接地 。

静电接地 。

03接地目的

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：

对地阻抗低

分析 ：

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。

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，测试表现出来的特征就是高阻抗。

地平面稳定

地稳定是对地的阻抗足够大，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，汇入多少条河流都波澜不惊。

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，并且这种场景其实我们常会遇到。

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。

04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。

05常用接地方式

基本思路 ：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，对高频波对地电流，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。

注意 ：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。

05系统接地思考

对于PE，电路设计过程中常使用阻容接地方式。很多系统直接两PE和板载GND连接在一起，这种连接方式可以让静电以最快方式泄放至GND。

但是这种方式也存在弊端，两个设备直接连接大地，对于整个大系统而言，会造成直流回环和交流回环，即回环连接会增大，这样的系统更加容易引入干扰。并且对于安规来说，漏电流也是有要求的，直接连接地，可能会存在较大的漏电流，在一些较大系统中，要求系统与大地之间至少需要MΩ级别的电路。

对于电阻电容选型，封装都为1206既可，需要使用高压瓷片电容，耐压2KV。如果对于安规要求比较严格，电容最好使用安规电容。对于而且对于系统地和机壳地的距离也有要求，比较通用的是华为流传出来标准，系统地和机壳地之间间距2mm。其实可以简单计算这个距离，按照电压空气击穿的30KV/cm，所以2mm间距能够保证6KV不会击穿放电。

而且在设计海思平台时候，华为手册上建议对于浮地系统定位孔直接和机壳相连，对于需要接大地的设备，最好将地进行隔离。

注意事项：

如果设备外壳良好接大地，那PCB应该也与外壳良好的单点接地，这个时候工频干扰会通过外壳接地消除，对PCB也不会产生干扰。

如果设备使用的场合可能存在安全问题时，那必须将设备外壳良好接地。

为了取得更好效果，建议是设备外壳尽量良好接地，PCB与外壳单点良好接地；当然如果外壳没有良好接地，那还不如把PCB浮地，即不与外壳连接，因为PCB与大地如果是隔离的（所谓浮地），工频干扰回路阻抗极大，反而不会对PCB产生什么干扰。

多个设备之间需要互相连接的时候，尽量是每个设备外壳都与大地在单点良好接地，每个设备内部PCB与各自外壳单点接地。

但是如果多个设备互相连接时候，设备外壳没有良好接地，那就不如浮地，内部PCB不与外壳接地。

机壳地可能并不是可靠的接地，如配电网中不符合安规，没有地线；接地棒周围土壤太干燥，接地螺栓生锈或松动。

环境是存在电磁干扰的，工作环境中有大功率变压器、大功率电机、电磁电炉、高压电网谐波等。

PCB内部是会产生高频噪声的，如高频开关管、二极管、储能电感、高频变压器等。