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接地·的分類方法

時(shí)間:2021/10/19閱讀:1072
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各種接地概念、方法

一、地的分類工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí),為防止各種電路在電路正常工作中產(chǎn)生互相干擾,使之能相互兼容地有效工作。根據(jù)電路的性質(zhì),將電路中零電位"———“"分為不同的種類,比如按交直流分為直流地、交流地,按參考信號(hào)分為數(shù)字地(邏輯地)、模擬地,按功率分為信號(hào)地、功率地、電源地等,按與大地的連接方式分為系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、浮地。不同的接地方式在電路中應(yīng)用、設(shè)計(jì)和考慮也不相同,應(yīng)根據(jù)具體電路分別進(jìn)行設(shè)置。

信號(hào)地信號(hào)地(SG)是各種物理量的傳感器和信號(hào)源零電位以及電路中信號(hào)的公共基準(zhǔn)地線(相對(duì)零電位)。此處信號(hào)一般指模擬信號(hào)或者能量較弱的數(shù)字信號(hào),易受電源波動(dòng)或者外界因素的干擾,導(dǎo)致信號(hào)的信噪比(SNR)下降。特別是模擬信號(hào),信號(hào)地的漂移,會(huì)導(dǎo)致信噪比下降;信號(hào)的測量值產(chǎn)生誤差或者錯(cuò)誤,可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗。因此對(duì)信號(hào)地的要求較高,也需要在系統(tǒng)中特殊處理,避免和大功率的電源地、數(shù)字地以及易產(chǎn)生干擾地線直接連接。尤其是微小信號(hào)的測量,信號(hào)地通常需要采取隔離技術(shù)。

模擬地模擬地(AG)是系統(tǒng)中模擬電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于模擬電路既承擔(dān)小信號(hào)的處理,又承擔(dān)大信號(hào)的功率處理;既有低頻的處理,又有高頻處理;模擬量從能量、頻率、時(shí)間等都很大的差別,因此模擬電路既易接受干擾,又可能產(chǎn)生干擾。所以對(duì)模擬地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)更要充分考慮。減小地線的導(dǎo)線電阻,將電路中的模擬和數(shù)字部分開,在PCB布線的時(shí)候,模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開,最后通過電感濾波和隔離,匯接到一起。如圖4-1所示。

 

 

數(shù)字地

數(shù)字地(DG)是系統(tǒng)中數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài),特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時(shí),會(huì)在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生比較大的毛刺,易對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾。所以對(duì)數(shù)字地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)也要充分考慮。盡量將電路中的模擬和數(shù)字部分分開,在PCB布線的時(shí)候,模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開,最后通過電感,匯接到一起.

懸浮地懸浮地(FG)是系統(tǒng)中部分電路的地與整個(gè)系統(tǒng)的地不直接連接,而是通過變壓器耦合或者直接不連接,處于懸浮狀態(tài)。該部分電路的電平是相對(duì)于自己"的電位。常用在小信號(hào)的提取系統(tǒng)或者強(qiáng)電和弱點(diǎn)混合系統(tǒng)中。

其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受系統(tǒng)中電氣和干擾的影響;缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響,而使該電路的地電位變動(dòng)和增加對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。由于該電路的地與系統(tǒng)地沒有連接,易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電,可能造成靜電擊穿或強(qiáng)烈的干擾因此,懸浮地的效果不僅取決于懸浮地絕緣電阻的大小,而且取決于懸浮地寄生電容的大小和信號(hào)的頻率。

在圖4-2所示的VDD-SGND的電源供電系統(tǒng)中,所有工作點(diǎn)相對(duì)的地都是SGND,但是SGNDDGND之間是電平處于懸浮狀態(tài),VDD-SGND的電源供電的系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)的連接*通過變壓器耦合,在這里設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意信號(hào)的連接方式。

 

 

電源地電源地是系統(tǒng)電源零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于電源往往同時(shí)供電給系統(tǒng)中的各個(gè)單元,而各個(gè)單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別,因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作,又要保證其他單元穩(wěn)定可靠地工作。同時(shí),電源系統(tǒng)功耗比大,在單層板或者雙層板中地線的線寬必須加粗(參考計(jì)算公式見式(4-1)。若在多層板中,則應(yīng)以一層或者多層作為系統(tǒng)的地平面。

功率地功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)、電壓較高,所以功率地線上的干擾較大,因此功率地必須與其他弱電地分別設(shè)置、分別布線,以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

二、接地方式在低頻電路中,信號(hào)的工作頻率小于1MHz,它的布線和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí),地線阻抗變得很大,此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1MHz~10MHz時(shí),如果采用一點(diǎn)接地,其地線長度不應(yīng)超過波長的1-20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。工作接地按工作頻率而采用如圖4-3所示幾種接地方式。

 

 

 

(一)單點(diǎn)接地

工作頻率低(<1MHz)的采用單點(diǎn)接地式(即把整個(gè)電路系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)看作接地參考點(diǎn),所有對(duì)地連接都接到這一點(diǎn)上,并設(shè)置一個(gè)安全接地螺栓),以防兩點(diǎn)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個(gè)電路的單點(diǎn)接地方式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種(如圖4-4所示)。由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合,所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點(diǎn)接地式。

 

 

為防止工頻和其他雜散電流在信號(hào)地線上產(chǎn)生干擾,信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣,且只在功率地、機(jī)殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連(浮地式除外)。

地線的長度與截面的關(guān)系為:

(二)多點(diǎn)接地工作頻率高(>10MHz)的采用多點(diǎn)接地式(如圖4-5所示)。在該電路系統(tǒng)中,用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。因?yàn)榻拥匾€的感抗與頻率和長度成正比,工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗,從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾,所以要求地線的長度盡量短。采用多點(diǎn)接地時(shí),盡量找接近的低阻值接地面接地。此處電路板最好設(shè)計(jì)為多層電路(4層以上),提供一層作為地平面。 

 

(三)混合接地

工作頻率介于1MHz~10MHz, 的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線的長度小于工作信號(hào)波長的1/20時(shí),采用單點(diǎn)接地式,否則采用多點(diǎn)接地式。根據(jù)系統(tǒng)的需求和電路的需要進(jìn)行合理的安排。

 

(四)懸浮接地懸浮接地是系統(tǒng)的地與大地不直接連接,而是通過變壓器耦合或者直接不連接,處于懸浮狀態(tài)。懸浮接地應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1)盡量提高浮地系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻,從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)中的共模干擾電流,保證系統(tǒng)的可靠性。(2)注意浮地系統(tǒng)對(duì)地存在的較大寄生電容,高頻干擾信號(hào)通過寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中,在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意。(3)懸浮接地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用,才能收到更好的預(yù)期效果。(4)采用浮地技術(shù)時(shí),系統(tǒng)容易積累靜電,當(dāng)靜電積累到一定應(yīng)程度后,可以對(duì)人和設(shè)備產(chǎn)生很多的損害,所以要注意靜電和電壓反擊對(duì)設(shè)備和人身的危害。

三、接地電阻(一)對(duì)接地電阻的要求對(duì)電路系統(tǒng)而言,接地電阻越小越好,因?yàn)楫?dāng)有電流流過接地電阻時(shí),其上將產(chǎn)生電壓。該電壓除產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾外,還會(huì)使設(shè)備受到反擊過電壓的影響,并使人員受到電擊傷害的威脅,同時(shí)還帶來系統(tǒng)的工作的不穩(wěn)定性和發(fā)熱。為了保護(hù)系統(tǒng)的正常工作,我們?cè)谠O(shè)備接地時(shí)對(duì)接地電阻提出要求,一般要求接地電阻小于;對(duì)于移動(dòng)設(shè)備,接地電阻可小于10Ω。系統(tǒng)接地的等效電路如圖4-6所示。系統(tǒng)接地不好,還會(huì)帶來寄生電感和寄生電容,這些可以導(dǎo)致地平面發(fā)生振蕩。

 

 

 

(二)降低接地電阻的方法

接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻三部分組成。為此,降低接地電阻的方法有以下三種:

降低接地線電阻降低接地線電阻的方法有增大導(dǎo)線的寬度,或者采用多層板,給出一層或者多層電源層,降低導(dǎo)線的內(nèi)阻。信號(hào)層可以對(duì)采用覆銅的方式。覆銅的類型有:(1)整板(全部)覆銅;(2)局部(部分)覆銅;(3)分區(qū)覆銅(用于地種類復(fù)雜,而且地線有不同的分區(qū),比如模數(shù)混合電路);(4)分網(wǎng)絡(luò)覆銅(系統(tǒng)的特許需要,對(duì)某個(gè)或者幾個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)覆銅)。

降低接觸電阻降低接觸電阻,為此要將接地線與接地螺栓、接地極牢靠地連接,同時(shí)要考慮系統(tǒng)接地極和土壤之間的接觸面積與緊密度。增加地極和土壤之間的接觸面積與緊密度,可以減小接觸電阻。

有的設(shè)備為了降低接觸點(diǎn)之間的電阻,在接觸點(diǎn)采用導(dǎo)電性能良好的材料;為了防止金屬被氧化而增加接觸電阻,必要時(shí)可以在接觸點(diǎn)鍍銀或者鍍金來保持良好的接觸效果,減小接觸電阻。

降低地電阻降低地電阻,有些特殊系統(tǒng),必須增加接地極的表面積和增加土壤的導(dǎo)電率(如在土壤中注入鹽水)。則系統(tǒng)的垂直接地極接地電阻R為:

 

例如,黃土ρ200Ω.m,L2cm,d0.05,則垂直接地極接地電阻R80.67Ω。如在土壤中注入鹽水,使ρ=20Ω.m時(shí),則接地極接地電阻R8.067Ω。從上面的比較中,可以清楚地看出,接地電阻隨著大地電阻率降低而減少。在一些特許系統(tǒng)中,對(duì)接地電阻和地電阻要求比較嚴(yán)格時(shí),降低大地的電阻率,增加大地的導(dǎo)電性能是一個(gè)很好的辦法。

 


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