EMC教程系列之接地

正确的接地是电子系统安全性和电磁兼容性设计的一个重要方面。在发生意外故障、电气瞬变或电磁干扰的情况下，地面起着至关重要的作用。正确的接地策略也能使工程师更有效地控制不必要的辐射****。

另一方面，不正确的接地会破坏产品或系统的安全性和电磁兼容性。在过去几十年中，接地不良已成为与EMC相关的系统故障的主要原因。

制定一个良好的基础策略是一个相当直接的过程。因此，人们可能会想知道为什么这么多系统接地不当。答案很简单：工程师经常把地面的概念和另一个重要的概念，电流返回混淆。数字电子产品中的电流回流导体通常被标记为“接地”或“接地”，这一事实可能令人困惑。当电流回流导体被视为接地导体时（或当接地导体被用于回流时），其结果往往是设计中存在严重的电磁兼容性问题。

一个好的接地策略首先要清楚地理解地面的目的。首先，接地作为电路或系统的零伏基准。这一点在几十年前就已经很清楚了。1992年，美国国家标准协会（ANSI）将接地定义为如下[1]，

4.152–接地(1） 将设备外壳、框架或底盘连接到物体或车辆结构上，以确保共同电位(2） 电路或设备与大地或某种较大程度上代替大地的导电体的连接。

众所周知，接地是一种参考电位，接地导体通常是非载流导体。

图1：美国110伏电源插座。

在美国，110V接地插座有三个端子，如图1所示。热端子的标称电位为110Vrms，并提供电源电流。中性端子的标称电位为0 Vrms，用作电源电流回路。接地端子的标称电位也为0 Vrms，但在正常情况下不携带电流。中性端子和接地端子都连接到回电气服务箱中同一点的导线（建筑物外与接地电气连接的点）。

由于中性线和地线连接在同一个地方，因此它们在电气上是可互换的。事实上，如果它们在插座处用一根线连接回维修箱时短路，则很难检测出任何差异。那么为什么要用两根电线而不是一根呢？简单的回答是，接地和电流回路是两个独立的功能，通常不兼容。在导体中流动的大量电流会阻止导体成为可靠的参考电位。

关于安全接地和电磁兼容，最重要的一点也许是接地不是电流回流。地面返回和电流返回都是非常重要的概念，但它们不是一回事。地面不是一条使电流返回其源的路径。接地基本上是产品电路和系统的零伏基准。地面概念在安全设计和电磁兼容设计中起着至关重要的作用。

设计安全电气产品和系统的一个重要部分是了解不安全电压可能出现在不同导电表面的时间和地点。从安全角度来看，接地是零伏基准电压，每一根导线上的电压就是它的电压和地之间的差。对于建筑物，地面参照通常是建筑物下的土壤（或字面上是建筑物下面的“地面”）。这很方便，因为地球相对较大，所有大型金属结构（如穿过建筑物边界的管道和电缆）都很容易连接或参照接地。

建筑物的地面通常是金属棒，插入电力服务入口附近的泥土中。这些接地棒连接到断路器箱，通过非载流导线将接地分配到所有电源插座。任何这样的建筑都是由金属管道或金属管道连接而成的。

通常要求具有大量外露金属表面的电器或电气产品将金属接地至接地线，以确保相对于建筑物中的任何其他接地金属，其不会达到不安全的电位。如果发生的故障导致电源导线和外露金属之间短路，断路器箱的接地连接可确保吸收大量电流。这会迫使断路器断开并切断设备的电源。

图2.图示GFCI的基本操作。

需要注意的是，这种确保产品安全的方法依赖于从电源插座接地到断路器盒的良好连接。旧电源插座可能缺少接地端子，甚至接线不当的新插座也可能缺少接地连接。因此，许多产品采用的设计不依赖于接地连接来实现安全操作。双重绝缘产品的设计旨在通过消除外露金属和/或确保断路器在发生短路时跳闸来确保电源连接不会对外露金属短路。

还有越来越多的电气产品带有嵌入式接地故障断路器（GFCI）装置。当电源输入线和电源回流线之间存在电流不平衡时，GFCI通过感应进行操作。当电流不平衡超过安全阈值时，GFCI会断开电源。

安全接地可能与EMC接地相同，也可能不同，但安全接地是设计EMC时需要考虑的一个重要因素。例如，在医疗产品和工业控制中，出于安全考虑，电路接地通常需要与底盘接地隔离。这给EMC工程师带来了一个独特的设计挑战，他们通常希望看到所有大型金属物体都能在高频下良好连接。

电磁兼容问题通常是由两个大金属物体在不同电位下产生的。任何两个谐振导体之间只有几百微伏的电位差，就可能导致产品超过辐射****限值。类似地，两个未连接好的导体之间感应的电压会导致辐射抗扰度问题。

接地基本上是定义一个零伏基准，并通过低阻抗、非载流连接将金属物体或电路连接到该基准的艺术。适当的EMC接地策略可确保大型金属结构不会相互驱动，从而导致意外的排放或抗扰性问题。连接金属物体使其保持相同的电位，并将所有外部连接引至相同的零伏接地，是确保大多数产品电磁兼容性的关键步骤。

几乎所有的电子设备和系统都有接地结构。在建筑中，它是地线、管道和金属结构。在汽车和飞机上，它是金属框架或底盘。在大多数计算机中，它是金属支撑结构和/或外壳。

接地结构用作本地零电压基准。任何大的和金属的东西都不应该被允许具有与地面结构有显著不同的电位。这通常是通过在感兴趣的频率将所有大型金属物体与地面结构相结合来实现的。它也可以通过充分隔离大型金属物体并确保没有可能的源在它们之间形成电位来实现。

图3.带有两个太阳能电池阵列的卫星。

例如，以图3所示的卫星为例，它的地面结构是金属外壳，容纳了大部分电子设备。为了耦合任何重要的电磁能量进入或离开卫星，有必要在地面结构和其他具有重要电气尺寸的物体之间建立电压。在频率低于几百兆赫的情况下，唯一具有重要电气尺寸的导体（地面结构除外）是两个太阳能电池板阵列，可能还有连接这些阵列与卫星内部电路的任何电线。

将太阳能电池板阵列与外壳紧密相连，可确保大型导体之间不会出现明显的电压，这些导体可作为无意****或接收噪声的天线。连接线也需要连接到接地结构上。这通常通过并联电容器来实现，以便在噪声频率下建立连接，同时允许功率和信号电流不衰减地流动。

本例中应用于卫星的接地策略可用于几乎任何其他具有地面结构的设备或系统。基本原理是地面结构本身代表了一个无意中的天线的一半。只有在接地结构和另一个具有重要电气尺寸的导电物体之间产生电压时，才会发生辐射耦合。将所有具有重要电气尺寸的物体连接到地面结构上，可防止它们成为意外天线的另一半。

这种接地策略不仅对满足辐射****和抗扰度要求很重要，而且在满足传导****和抗扰度要求方面也起着关键作用，因为接地结构既是零伏基准，又是潜在干扰噪声电流的首选路径。

地面结构的三个要点是，

1. 接地结构必须在感兴趣的频率下是一个良好的导体，但它不必电小。偶尔，你可能会听到有人说地面在高频下不存在，因为地面是一个等势面，在一个表面上相距四分之一波长的两点处的电势是不一样的。这个论点是没有根据的，因为地面结构不一定是等势面。事实上，两个遥远点之间唯一可定义的电位差的整个概念在高频下就不成立了。对于大多数的安全接地系统来说，60赫兹的接地系统当然不是安全的。地球在洛杉矶的潜力和在纽约的不一样，这无关紧要。接地结构用作局部零电压基准。它们不需要电小。

2. 接地结构不必封闭电子设备。外壳不是屏蔽结构。它只是一种大而金属的东西，作为任何其他大的金属的局部零伏参考。

3. 地面结构不能携带有意的电流（至少不在感兴趣的振幅和频率处）。在导体上或导体内流动的电流导致磁通量包裹导体。包裹导体的磁通量在导体上产生电压。在高频下，这种电压可能驱动接地结构的一部分相对于另一部分。

接地结构可能以不影响其作为接地结构的有效性的频率和振幅携带电流。例如，大多数汽车利用车架作为灯和非关键传感器在极低频下工作的回流路径。这并不会降低框架在更高频率下作为地面结构的能力。

需要注意的是，虽然接地结构不能携带有意电流，但它预计会携带故障电流和感应噪声电流。事实上，接地结构的正确利用取决于它以足够低的阻抗承载无意电流以控制无意电压的能力。

接地导体是将大型金属物体连接到接地结构上的连接件（例如螺钉、螺栓、垫圈、电线或金属带）。与接地结构一样，接地导体不携带有意电流。它们的作用是使两个金属结构之间的电压保持在临界值以下。

接地导体必须具有足够低的阻抗（即电阻加上感应电抗），以确保其阻抗乘以其可能携带的最大电流低于可能导致EMC问题的最小电压。例如，假设屏蔽双绞线的屏蔽通过1cm连接器引脚连接到接地结构，如图4所示。双绞线携带100Mbps伪差分信号，共模噪声电流为100MHz时为0.3mA。驱动电缆屏蔽层相对于板的电压大约等于屏蔽层中返回的电流乘以屏蔽连接的有效电感。假设连接器引脚的有效电感约为10毫安（即1毫安/毫米），驱动电缆屏蔽层相对于接地结构的电压约为2毫伏。在许多情况下，这足以超过100 MHz时的辐射****限值，需要采取措施降低共模噪声或降低接地导体的连接电感。

图4.屏蔽连接到地面结构的双绞线。

当用螺栓将两个金属平面连接在一起进行接地连接时，连接的电阻可能比电感更重要。尤其是当它们之间的界面被腐蚀时。

电偶腐蚀电位是衡量不同金属接触时腐蚀的速度。腐蚀取决于电解液的存在，如水；腐蚀速率取决于许多因素，包括电解液的性质。

图5.常见金属的阳极指数。

图5中的图表在名称旁边列出了几种常见金属的阳极指数。这个参数是测量金属和金之间的电化学电压。为了求出一对金属的相对电压，减去它们的阳极指数，如图所示。根据环境的不同，电压差大于0.95伏的材料之间的粘结通常需要电镀或垫圈来保持粘结的完整性。

如本章开头所述，接地和电流回路是两种截然不同的功能。不幸的是，在实际产品中，许多电流回流导体都贴上了“接地”的标签。这造成了很大的混乱，因为与地面相关的规则适用于当前回报，反之亦然。

例如，图6中的部分电路板示意图有四种不同的理由。一个部件与信号或电源一起工作，这些信号或电源参考其中三个接地。这个电路的设计者不太可能想要四个不同的零伏基准。事实上，这四个接地是通过跳线连接的，这表明设计者的目的是要有一个零伏参考电压。

图6.四个接地的局部示意图。

图7所示的电路板布局显示了一个层，其中有两个分别标记为“GND”和“AGND”的网络。隔离接地使系统中的所有大型金属物体很难保持相同的电位。一般来说，只有在出于安全原因需要时才应进行。那么，为什么这些“基地”是孤立的？

图7.一层有两个接地的电路板布局。

在上面的两个例子中，“地面”网被孤立的原因是因为它们不是真正的地面。它们是电源或信号电流的回流导体。设计师们不希望孤立的零电压基准。他们隔离了电流回流导体，试图避免公共阻抗耦合。

大约50年前，当数字电路刚刚开始进入收音机和高保真音响设备等产品时，电子设计人员很快就认识到，当音频电路共用相同的电流回流导体时，数字噪声可以耦合到音频电路中。例如，考虑图8a所示的简单板。它有两个数字元件，一个是数模转换器，一个是放大器，用来在模拟信号通过连接器发送出去之前对其进行放大。两个数字元件之间的单端数字信号使用地平面作为返回路径。在千赫兹及以下频率下，返回到飞机上的电流分布大致由图8b中的绿线表示。从放大器返回到D/A转换器的低频电流沿着图8b中蓝线大致表示的路径进行。

图8.左侧（A）的简单混合信号板和接地层上的近似回流分布（b）。

目前的分布显然有很多重叠。这会导致共阻抗耦合，因为一个电路中的电流与另一个电路中的电流共用一个接地层电阻。如果共用接地层电阻为1MΩ，数字电流为100mA，则模拟电路中感应的电压为100μV。

50年前，设计音频电路的工程师发现，由于数字电路的公共阻抗耦合，音频电路中感应的电压通常是不可接受的。人们可以听到声音信号中的数字噪音。

显而易见的解决方案是将数字信号返回电流与模拟信号返回电流隔离开来。超过两层的电路板在当时并不常见，因此一种流行的方法是在当前的返回平面上设置间隙。图9显示了一个例子。

图9.一个混合信号板，左边的电流返回面上有一个间隙（A），接地层上有近似的回流分布（b）。

由于低频电流不能流过间隙，电流会在间隙的两侧重新定向。这降低了主要由模拟电流使用的平面区域中的数字返回电流密度，并大大降低了公共阻抗耦合。

在20世纪60年代和70年代相对简单的两层电路板上，在模拟电路和数字电路之间留出“接地”平面的间隙，通常是消除由公共阻抗耦合引起的不可接受串扰的有效方法。不幸的是，它工作得很好，以至于人们最终产生了这样的想法：地面飞机应该总是在数字电路和模拟电路之间留有空隙。一条设计规则诞生了，董事会设计师喜欢设计规则。五十年后，许多董事会设计师仍然坚持这一设计规则，尽管它不再有意义。事实上，对于今天的电路板来说，一个更好的设计规则就是永远不要在模拟电路和数字电路之间留出接地层间隙。

为了说明原因，请考虑图10中的电路板布局。它具有与上一个示例相同的组件，并且与上一个示例一样，它在模拟电路和数字电路之间留出了接地层间隙。然而，在这种情况下，这个间隙围绕着模拟电路的三个侧面。

图10。一个糟糕的混合信号板布局在左边（A）和一个更好的替代布局在右边（b）。

如前一个例子中所做的，绘制返回电流图将说明数字和模拟回路电流之间的良好隔离。但是之前的回流图并没有说明飞机上所有的海流。请注意，有四条数字记录道将D/A转换器连接到其中一个数字元件。这些信号也需要回流。这些电流必须从D/A元件的接地引脚传到数字元件的接地引脚。这条路径以前很短而且无关紧要，但现在间隙迫使这些电流与模拟电流共享同一平面区域。这种差距不但没有使事情变得更好，反而可能使事情变得更糟。

正确定位模拟电路和数字电路之间的间隙至关重要。五十年前，要确定这个缺口的正确位置往往很困难。在今天的高密度板中，对一个根本不存在的问题来说，在平面上开缺口通常是不可行的，也是完全不必要的解决办法。

在今天的电路板设计中，至少有三个原因可以解释为什么不需要在地平面上开孔：

1. 与50年前相比，数字和模拟信号的工作频率要高得多。在频率高于100khz时，接地层上的回流电流仅限于信号轨迹正下方的区域。因为它们不会在飞机上展开，所以在飞机上开个缺口并不能提高电路之间的隔离度。

2. 即使在kHz或更低的频率下，电路板接地板电阻小于1MΩ/平方. 这意味着“噪声”电路将安培电流注入接地层，只能在共用同一平面的其他电路中产生毫伏（最坏情况下）的电压。在相对较少的情况下，这种水平的噪声耦合可能是一个问题。

3. 在不能容忍毫欧姆耦合的情况下，最好将回报隔离在不同的层上. 例如，在我们前面的例子中，耦合问题的最佳解决方案是不将平面隔开。图10b展示了如何在顶层使用迹线返回模拟电流，从而完全避免了常见的阻抗耦合问题。在具有大量模拟和数字回路的电路板中，必须在低频下隔离这些电路板，通常需要将它们连接在高频上，以防止辐射****问题。在相邻层上路由隔离的返回可以更容易地在它们之间建立良好的高频连接。

注意，图10b中的模拟电流返回轨迹通过位于D/a接地引脚附近的单个通孔连接到数字电流返回平面。通孔不携带模拟或数字返回电流。它的唯一功能是确保模拟和数字电路具有相同的零电压基准。换句话说，通孔是接地导体，而平面和迹线是电流回流导体。

假设图10b中的模拟电流返回轨迹有两个到数字电流返回平面的过孔连接，如图11所示。它可以在轨迹上返回，也可以在飞机上返回。电流将根据每个路径的电阻进行分流，允许大量模拟电流返回到平面上。同样，一些数字电流将在模拟电流返回轨迹上流动。破坏了隔离，重新引入了共阻抗耦合。

图11.在两个隔离电流回路之间增加第二个连接可能意味着它们在低频下不再被隔离。

一般来说，如果两个电流回路连接在多个点上，则它们在低频下不会被隔离。图10b中的过孔连接是单点接地的示例。单点接地是电磁兼容中的一个重要概念，但设计者往往误解了这一点，因为他们没有正确区分电流回路和接地导体。

图12单点接地

图12说明了单点接地的概念。隔离电路或系统通过非载流接地导体连接到单点。图13显示了另一个实现，其中接地导体连接在多个点上，但它们仍然以一个点为基准。其中一个例子是建筑物的电源接地。每个接地设备都有一个专用的布线路径连接到建筑电气服务，但是平行路径是由管道连接或外部金属表面接触的产品创建的。在多个点连接接地导体不会降低接地方案的有效性。

图13.另一个单点地面实施。

虽然单点接地是确保隔离电路具有相同零电压基准的一个重要概念，但如果接地导体携带信号或电源电流，它就不起作用。例如，在图14中，中间和右侧电路没有被隔离。从负载返回到中间电路电源的电流现在可以选择通过预期的蓝色导体返回，或者通过附加连接到右侧电路，然后通过“单点”接地返回中间电路。

图14。这不是单点接地。

图14中从单点连接到中间电路到右侧电路再到单点连接的路径有时被称为接地回路。接地回路通常被认为与单点接地不一致，通常被认为是公共阻抗耦合的来源；但这是不正确的。图13有一个接地回路，它仍然是一个良好的单点接地实现。图14中的接地环路包括一个根本不接地的段。中间电路中的蓝色导体在电路板布局中可以称为“接地”，但它是电流回流导体。

一般来说，只要回路中的所有导线都是接地导线，那么接地回路是正常的。如果回路中的一个或多个导体是低频电流回流导体，那么回路中的所有导体都将携带一部分回流电流。这可以促进共阻抗耦合。

图15展示了另一个误用单点地面概念的例子。这个例子来自一个制造商的应用说明，建议客户如何布置三相电机驱动器。这个想法是为了确保所有三相具有与电机相同的零电压基准。该实现要求将所有开关电流和电机电流返回到同一点。

图15.单点电流返回（坏主意）。

当然，这不是单点接地。这是一个单点电流回路。尽管在原理图和电路板布局中，所有导线都标有地线，但它们不是地线。它们是电流回流导体。

将所有的开关电流发送到布局中的一个点，基本上确保了连接的电感将高于其他情况。它确保了高共模阻抗和相间互感。它还可以确保任何相位或电机都没有相同的零电压基准。

基本上，重要的是要记住单点接地是确保隔离电路和设备具有相同的零电压基准的重要策略。另一方面，单点电流反馈通常是电磁耦合问题的根本原因。

图16多点接地

单点接地策略的替代方案是多点接地策略。一个例子如图16所示。地面不是一个单点，而是在本地定义的。这基本上是前面描述的地面结构概念。

通常，采用接地结构的系统将未在多个点与接地结构隔离的电路和模块连接起来。图17给出了一个简单的例子。

图17混合接地策略

在这种情况下，中间和右侧电路之间的连接允许低频回流电流流过接地结构。在这些频率下，该结构更准确地描述为电流回流结构。当提出接地策略时，重要的是要认识到导电结构在某些频率下可以起到接地的作用，而在另一些频率下可以起到电流回流的作用。

例如，在汽车中，图17中的中间和右侧电路可能分别代表制动控制模块和车轮转速传感器。每个模块都接地至车辆框架，以满足高频辐射和****要求，但两个模块都不允许高频电流回流到车架上。所以在高频下，框架是一个多点接地结构。

在较低频率下，关键通信将使用差分信号来执行，以保持信号电流远离帧（帧电流远离信号）。然而，电源接地不一定是隔离的。通过12伏电源线进入模块的电源电流将通过所有可用路径返回电池。因此，在低频（如直流电-千赫）下，帧不是接地结构，而是电流返回结构。由于一个模块在机架上流动的电流安培数可能会在其他模块的接地连接上产生100毫伏的电压，但大多数模块在非常低的频率下不会受到100毫伏的影响。

假设图17中左边的电路表示内燃机启动机的功率分配。当发动机起动时，这个电路可能会消耗几百安培的电流。允许这些电流回流到车架上，可能会在使用车架作为电源电流回流导线的模块中引入不可接受的噪音水平。在这种情况下，可以决定将回路与启动机电机隔离，并在一个点将其连接到机架上。

也许最重要的一点是关于接地策略，无论是针对EMC还是安全，所设计的产品应该有一个。当接地导体被视为电流回流导体或电流回流导体被视为接地导体时，通常会出现问题。

正确的电流回报策略通常关注于为高频电流提供低电感路径，并保持对低频电流路径的控制。

正确的接地策略重点识别和保护每个电路和系统的零电压基准。

跟踪导体主要是作为接地功能还是电流返回功能的一种技术是对其进行适当的标记。例如，将与接地结构的连接称为“机箱接地”或“机箱接地”，但使用术语“数字回路”或“D-RTN”指的是电路板上的平面，其主要功能是将数字电流返回至其源。在制定一个良好的基础策略的过程中，一半的工作是正确地认识和维护真实基础的完整性。

接地策略的另一个重要方面是确定接地结构。在系统级，接地结构总是金属外壳或框架（如果有的话）。在板级，如果板连接到框架，那么板接地应该是连接发生的地方。如果没有机架，或者没有靠近机架，通常应在其中一个连接器引脚（通常为0伏电源输入）处定义板接地。

一般来说，所有大型金属物体（如电缆、大型散热器、金属支架等）应与地面结构连接。如果这不可能，它们必须与地面结构充分隔离，以保证不会发生严重的不必要的耦合。医疗产品和许多高压系统要求机架或底盘与任何载流电路之间严格隔离。不幸的是，附近的高频电路相对容易在这些结构中产生微安培电流，这足以引起辐射****问题。为了防止这种情况的发生，通常需要限制电路带宽、屏蔽电路和/或增加电路与机架之间的距离。