电路设计中的“地”

电路设计中的“地”怎么设计，怎么连接一直是是硬件工程师在设计和调试过程中经常会遇到的挑战之一。雷卯对地简单阐述如下：

 

一、“地”的种类和作用

雷卯在实际电路设计中，基本上会用到如下三种类型“地”。

·信号地 (Signal Ground)。

信号地又分为：数字地和模拟地，电源地也可以归为模拟地的一种。信号地基本上存在于我们的电路板中。

·保护地(Protective Ground/Earth)。

大多存在于交流和高压的产品中，很多情况下我们把大地Earth 作为保护地，是从产品的安全角度考虑的接地类型。

·机壳地(Chassis Ground)。

产品中接地的金属外壳或者接地的金属部件。

 

二、接“地”常见问题

1、接地电阻过大：当接地电阻过大时，会导致接地系统失效或不稳定，无法正常排除设备的电荷和故障电流。这可能会引起设备故障、信号干扰或触电风险。硬件工程师需要通过合适的接地设计和维护，确保接地电阻符合规范要求。

2、地线回流问题：在复杂电路中，可能存在地线回流问题。这种问题通常是由于地线路径不良或地线回流电流过大造成的，会导致信号干扰、噪声增加以及设备性能下降。硬件工程师需要仔细分析电路，并采取适当的措施来解决地线回流问题。

3、地线共享问题：在某些情况下，多个设备可能共享同一地线。如果这些设备的接地方式不一致或接地电势差较大，可能会导致地线干扰和回路闭合问题。硬件工程师需要注意设备之间的接地一致性，并采取适当的措施来避免地线共享问题。

4、静电放电问题：静电放电是在接地不良或者无接地情况下常见的问题。当设备或电路受到静电影响时，可能会发生静电放电现象，导致设备损坏或故障。硬件工程师需要采取合适的防静电措施，如使用静电防护设备、设计合理的接地系统等，以减少静电放电问题的发生。

遇到这些问题怎么解决呢，雷卯EMC小哥分享自己在EMC整改中一些经验总结。

 

三、数字地和模拟地如何连接?

·理论一

很多的设计者都知道有这样的一个理论，在我们的电路板中，应该把数字地和模拟地分开，从而来减小数字电路和模拟电路之间的干扰。

（图一）

如图一这个所示的，绿色部分是电路板，黄色这两个区域分别代表了数字地和模拟地，这个理论认为数字地和模拟地的两个铺地平面应该彻底分割开来，然后在电路板上的某一个点上通过一个元件来连接。这个元件可以是一个零欧姆电阻，或者是一个电容，电感或磁珠。到底使用哪种元件，需要根据电路实际情况和EMC测试结果来决定。

·理论二

（图二）

在电路板的某一点上直接使用铜箔连接数字地和模拟地，就如图二所示。

以上两种理论基本上是同一种类型，主要是主张数字地和模拟地在大部分的区域是需要分开的，然后在电路板上的某一个地方通过单点进行连接，这个单点连接的地方正是数字电路和模拟电路互相有交集及互相进行通讯的地方。所有通讯的信号就将以这一部分的地作为一个参考的平面。图一中这一部分信号将找不到任何一个参考的局面，也就是说这一部分信号将跨越。

通过一些实验的结果发现，以上这两种分割数字地和模拟地的方法并不能很好的提升信号的质量，特别是对于高频信号而言，因此，越来越多的设计者开始相信第三章理论。

·理论三

如下图所示：

在电路板上，并不区分数字地和模拟地，而是使用一个完整的接地面，但在电路元件布局中尽可能的把数字电路和模拟电路分开放置。那么数字电路和模拟电路之间的分隔我们需要遵循20H这样一个准则，H代表的是在电路板的层叠堆叠中，信号层到接地层的距离。

EMC小哥更推荐此种接地方法，当然也要具体电路具体分析。

（图三）

四、机壳地如何连接

1. 机壳地与大地连接 - 保护作用。

在我们的系统中如果有保护用的大地，需要将机壳地和大地进行连接。

这种情况一般是发生在包含了交流电源的产品中。需要连接的原因主要是从安全的角度来考虑。

2. 机壳地与金属屏蔽壳的接插件连接 - 屏蔽作用。

下面来看来看如何将机壳地连接到带有金属屏蔽壳的接插件上。

对于这样的接插件，我们要尽可能的将其金属屏蔽壳和机壳地之间进行360度全方位的粘合，这样做是为了对信号起到一个屏蔽的效果。

 

3. 机壳地与静电放电地

电子设备接插件的静电放电地通常应该连接到设备的机壳地(Chassis Ground)或系统的地线上。比如USB接口用到防静电ESD 元件 USBLC6-2SC6 , 建议它的地与USB插座地连接，并连接到机壳地上，静电放电地连接到机壳地上，可以确保静电放电时的电荷通过机壳地导向地面，消散静电电荷，保护设备和电路。

 

4. 机壳地与电路板信号地连接

机壳地和电路板上的信号地的连接有两种方式，单点连接和多点。这个地方其实存在争议的地方，不同的设计者会支持并选用不同的方式，在这里呢，先来简单的介绍一下这两种不同的方法。

 

· 单点接地

如上图所示，灰色的这一圈代表的是一个机壳，而绿色的这个是电路板，这四个黄颜色的圈代表的是电路板上的安装孔，在这个图中，只有左上角这一个安装孔是接地的，其他三个安装孔和地之间没有连接，机壳体和信号地之间只有唯一的连接点。这样做的目的是为了避免形成地的回路，而实验发现，这样的设置往往在直流和低频电流中显得比较有效。而在高频电路中多点接地的方式可以更有效的抑制电磁噪声，同时多点接地的方式在直流和低频电路中也不会使电路的性能变得更差。

· 多点接地

上图显示的就是多点连接，在电路板上四个安装孔，电路板上的信号地和机壳地之间有四个连接点，这种多点连接方式主要有两个作用。

第一，通过减小传递阻抗的方式，来减小地平面上的电压差，共模电流，从而抑制电磁噪声，在很多情况下，这个共模电流或者说共模电压，它们是造成EMC问题的一个主要原因。

第二，高速信号的电路板中高频电压所产生的噪声，很大程度上会从地平面的边缘发射出来。将这个信号地和机壳地多点连接，就可以平衡在地平面上不同位置上所产生的一个高频电压，从而提高电路的抗干扰能力。

EMC 小哥更推荐多点接地。

在我们使用多点连接的方法的时候，我们需要注意连接点的位置。

第一、是在电路板上这个地平面的每一个角都需要有一个连接点。

第二、个在设备对外每一个接口附近至少要有一个连接点。

第三、在产生高速信号的设备附近，至少要有一个连接点。

 

如有其它见解请联系上海雷卯EMC小哥一起讨论学习。上海雷卯电子专业为客户提供电磁兼容EMC的设计服务，提供实验室做摸底免费测试。