硬件電路設計之接地問題

01簡介

在電路設計中，“接地”是一個無法避免的問題。接地需要考慮的主要因素：使用場景，不存在通用的接地方式。本文我們將以一種通俗易懂的方式談談接地問題的本質。

02接地分類

接地目的決定了接地的方式，從接地的性能上來說，接地主要可分為以下四類：

安全接地 。

工作接地 。

浪涌接地 。

靜電接地 。

03接地目的

接地的主要目的主要有三大類，分別為對地阻抗低、地平面穩定、對地均衡。接下來，主要從這三個方面展開說明：

對地阻抗低

分析 ：

低頻信號從信號平面流到地平面時，大電感相當于導線直接接地，此時表現出來的特性就是低阻抗。

高頻信號從信號平面流到地平面時，大電感呈現出較大的阻抗，測試表現出來的特征就是高阻抗。

地平面穩定

地穩定是對地的阻抗足夠大，電流比較容易直接泄放到地，同時在導線上幾乎不會產生壓降。將像遼闊的海洋中，匯入多少條河流都波瀾不驚。

對地均衡

對于電源或者信號，對于我們真正有價值的往往是它們之間的壓差。存在一種場景，一個電路當受到外部的干擾時，兩個平面上的電壓整體上升（差模電壓保持不變，共模電壓增大），具體見下圖。其實電路通常依然能正常工作，并且這種場景其實我們常會遇到。

一個靜電脈沖通過空氣打到電路板上，針對局部的電路，距離遠近的不同，肯定會導致產生靜電感應的壓差。這時候用一塊金屬板隔一下的話，即使該金屬板浮空，對金屬板后面的電路板來說，感應的將是均勻的電場，雖然感應干擾仍然存在，但起碼電路上是基本均衡的。當然如果此金屬板接地更好啦。當然共模電壓一般不會維持住，因為傳輸線的阻抗不均勻，往往會轉成差模電壓干擾，地均衡的問題最好不要讓我們面對，但沒辦法的時候，如浮地設備，不得不受到靜電沖擊的電路板，防護時候要考慮地均衡問題。

04共地耦合干擾

共地耦合干擾這個是處理接地的核心問題。

在一個戲劇院里，有三個大廳分別大廳a、大廳b、大廳c，出口僅有一個。當三個大廳同時三場時，大廳c的面積較大，容納的人也越多。那么大廳c內部的 看客的 退場將會影響大廳a和大廳b內部人員的退場。（大廳a、大廳b、大廳c相當于三條對地的回流路徑，走道相當于共地阻抗）

以下圖為例，圖1中，RAB段的電阻就是共地阻抗部分，流過這段的地電流Io、Ia、Id三部分在這段會相互影響；如果這三個電流差別較大，差出了1-2個數量級的話，相互之間的影響就不可以忽視了，尤其是某個弱地電流支路是用于定量測量、放大或AD轉換電路的時候；圖2則把Id對另外兩個之路的影響隔離掉了；圖3則是三個地電流全部分別隔離了。

05常用接地方式

基本思路 ：在設計上，把安全保護地、工作數字地、工作模擬地、工作功率地、雷擊浪涌地、屏蔽地先確保各自獨立的單獨連接，最后在系統聯調的時候，再根據各地之間要解決的問題，即根據接地的目的，將這幾個地按照下列的之間的聯接方式處理下，連接方式包括：

注意 ：因為雷擊浪涌、安全地的電流一般會遠大于信號電流對人的危害，這兩個接地建議分別單獨接到大地，在真正的大地處單點相接，尤其是防雷擊接地。

05系統接地思考

對于PE，電路設計過程中常使用阻容接地方式。很多系統直接兩PE和板載GND連接在一起，這種連接方式可以讓靜電以最快方式泄放至GND。

但是這種方式也存在弊端，兩個設備直接連接大地，對于整個大系統而言，會造成直流回環和交流回環，即回環連接會增大，這樣的系統更加容易引入干擾。并且對于安規來說，漏電流也是有要求的，直接連接地，可能會存在較大的漏電流，在一些較大系統中，要求系統與大地之間至少需要MΩ級別的電路。

對于電阻電容選型，封裝都為1206既可，需要使用高壓瓷片電容，耐壓2KV。如果對于安規要求比較嚴格，電容最好使用安規電容。對于而且對于系統地和機殼地的距離也有要求，比較通用的是華為流傳出來標準，系統地和機殼地之間間距2mm。其實可以簡單計算這個距離，按照電壓空氣擊穿的30KV/cm，所以2mm間距能夠保證6KV不會擊穿放電。

而且在設計海思平臺時候，華為手冊上建議對于浮地系統定位孔直接和機殼相連，對于需要接大地的設備，最好將地進行隔離。

注意事項：

如果設備外殼良好接大地，那PCB應該也與外殼良好的單點接地，這個時候工頻干擾會通過外殼接地消除，對PCB也不會產生干擾。

如果設備使用的場合可能存在安全問題時，那必須將設備外殼良好接地。

為了取得更好效果，建議是設備外殼盡量良好接地，PCB與外殼單點良好接地；當然如果外殼沒有良好接地，那還不如把PCB浮地，即不與外殼連接，因為PCB與大地如果是隔離的（所謂浮地），工頻干擾回路阻抗極大，反而不會對PCB產生什么干擾。

多個設備之間需要互相連接的時候，盡量是每個設備外殼都與大地在單點良好接地，每個設備內部PCB與各自外殼單點接地。

但是如果多個設備互相連接時候，設備外殼沒有良好接地，那就不如浮地，內部PCB不與外殼接地。

機殼地可能并不是可靠的接地，如配電網中不符合安規，沒有地線；接地棒周圍土壤太干燥，接地螺栓生銹或松動。

環境是存在電磁干擾的，工作環境中有大功率變壓器、大功率電機、電磁電爐、高壓電網諧波等。

PCB內部是會產生高頻噪聲的，如高頻開關管、二極管、儲能電感、高頻變壓器等。