邸凈宇

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300300）

0 引 言

電子設(shè)計(jì)的過程中，最為常見的的技術(shù)問題就是電路板接地，電子設(shè)計(jì)的接地技術(shù)包括了單模擬電路回路接地、數(shù)字電路回路接地以及模擬數(shù)字電路的混合接地。這些接地技術(shù)的進(jìn)步展示了電子電路設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展。在電子設(shè)計(jì)過程中，提出的要求較多，如果經(jīng)過EMC 的檢測(cè)，電路板的信號(hào)頻率比較高(信號(hào)的上升時(shí)間為10 ns 甚至更低的數(shù)量級(jí))，那么在考慮電路的接地方式時(shí)，也需兼顧各種實(shí)際因素[1]。本文主要分析了這些接地技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。

1 電路接地的作用

最初，接地技術(shù)是為了防止電力設(shè)施和電子設(shè)備遭受雷擊而采取的預(yù)防性、保護(hù)性措施，接地主要是為了將雷電中的電流經(jīng)過避雷設(shè)施引入到大地中，進(jìn)而保護(hù)建筑物和電力設(shè)施。同時(shí)，接地也能夠有效保護(hù)人身安全。如果電線絕緣性能不佳或者線路老化等問題嚴(yán)重，在設(shè)備外部便會(huì)出現(xiàn)較高的危險(xiǎn)電壓，進(jìn)一步產(chǎn)生故障電流，電流流向大地，就會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生一定的保護(hù)作用。隨著通信技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，電路設(shè)計(jì)中只考慮系統(tǒng)的防雷問題已經(jīng)難以滿足發(fā)展的要求[2]。

在進(jìn)行電路接地設(shè)計(jì)時(shí)，必須特別關(guān)注信號(hào)間的互相干擾問題。否則，不合適的接地會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。近期的研究和應(yīng)用中，在電路的高速信號(hào)回流技術(shù)也逐漸融入了“接地”的思維。

2 減少環(huán)路影響的相關(guān)技術(shù)

2.1 光耦技術(shù)

進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止前面電路對(duì)后級(jí)電路的影響，常常采用光耦隔離技術(shù)。這在很大程度上降低了發(fā)送電路對(duì)接收電路產(chǎn)生的干擾。光耦的存在，在很大程度上降低了地環(huán)路影響電路的水平。

2.2 隔離變壓器技術(shù)連接電路

隔離變壓器技術(shù)中，一般使用的變壓器比例為1:1，有效隔離的發(fā)送電路與接收電路能夠使接收電路的接地回路很大程度減少。

2.3 共模扼流圈

電子設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)的接收電路與發(fā)射電路通過共模扼流圈相互連接。這樣的連接能夠使得接收電路中的回路大幅降低。此外，為接收電路進(jìn)行EMC檢測(cè)奠定了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 平衡電路技術(shù)

采用平衡電路技術(shù)時(shí)，通常以多點(diǎn)并聯(lián)的電源發(fā)送電路，通過并聯(lián)在一起的模塊電路，將各個(gè)模塊進(jìn)行并聯(lián)，然后單點(diǎn)接地。平衡電路中，每個(gè)模塊之間的電流之間不會(huì)產(chǎn)生任何影響，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3 不同信號(hào)的接地處理

電路設(shè)計(jì)中合理處理不同信號(hào)的接地是進(jìn)行接地設(shè)計(jì)與安裝的重要基礎(chǔ)。

（1）控制系統(tǒng)最適合一點(diǎn)接地方式。通常，在高頻電路中需要采用多點(diǎn)接地，而低頻電路采用一點(diǎn)接地即可。低頻電路的布線與元件間之間不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電感，但是接地產(chǎn)生的環(huán)路則會(huì)造成較大干擾，所以在低頻電路中通常采用一點(diǎn)接地方式。在高頻電路中，地線上會(huì)產(chǎn)生一定量的電感而增加了地線阻抗，高頻電路中的地線間又會(huì)出現(xiàn)電感耦合效應(yīng)。因此，低于1 MHz 的頻率，多采用一點(diǎn)接地；而大于10 MHz 頻率，則采用多點(diǎn)接地的方式。當(dāng)頻率處于1 ～10 MHz 間則根據(jù)實(shí)際選用一點(diǎn)接地或者多點(diǎn)接地。

（2）交流地與信號(hào)地不共用的情況下，電源線的兩端一般會(huì)存在一定量的電壓。在低電平信號(hào)的電路中，這種干擾是非常重要的因素，需要特別注意隔離與防范。

（3）接地與浮地的比較。電路完全浮空是一種簡(jiǎn)單的抗干擾方法，然而整個(gè)電路系統(tǒng)與大地絕緣電阻值不能低于50 MΩ。浮地具有一定的抗干擾特性，但只要絕緣能力降低就會(huì)帶來一定量的干擾。另外一種方法是將電路的機(jī)殼接地，其余部分浮空。此方法具有極強(qiáng)的抗干擾能力，安全性高，但是實(shí)際操作則較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。

（4）模擬地。模擬地的接法的重要性在于其關(guān)系到抗共模的干擾能力，電路中的模擬信號(hào)采用屏蔽浮技術(shù)。針對(duì)具體模擬量信號(hào)進(jìn)行接地處理時(shí)則必須按照規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。

（5）屏蔽地。為了降低控制系統(tǒng)中信號(hào)的電容耦合噪聲等問題，必要時(shí)需要對(duì)信號(hào)采取屏蔽措施。按照屏蔽的目的，會(huì)存在不同的屏蔽地接法[3]。如果是解決分布電容方面的問題通常接大地便可。接地材料一般由高導(dǎo)低阻金屬材料制成，可以直接與大地相接。磁鐵、電機(jī)、變壓器以及電路線圈的磁感應(yīng)的屏蔽則采用高導(dǎo)磁材料，能夠使得磁路產(chǎn)生閉合，通常接大地即可。假如電路信號(hào)只是一點(diǎn)接地，在低頻電纜設(shè)計(jì)的屏蔽層也需要一點(diǎn)接地。如果電纜設(shè)計(jì)的屏蔽層地點(diǎn)大于一個(gè)，便有可能產(chǎn)生噪聲電流，產(chǎn)生噪聲干擾源。

4 電路中常用的接地方法及特點(diǎn)

4.1 浮地技術(shù)

浮地技術(shù)是電子設(shè)計(jì)中常用的一種方法，浮地技術(shù)具有的特點(diǎn)是電路板信號(hào)地不與外部公共地連接，使得電路具有良好的隔離效果。基于浮地技術(shù)的電路能與外界地系統(tǒng)保持優(yōu)良的隔離效果，不會(huì)受到外界地系統(tǒng)的影響。但是電路上常會(huì)出現(xiàn)靜電干擾現(xiàn)象，威脅到電壓安全[4-5]。電子設(shè)計(jì)過程中，常在小型低速設(shè)備中應(yīng)用浮地技術(shù)。

4.2 串聯(lián)單點(diǎn)接地

串聯(lián)單點(diǎn)接地是一種十分值得推薦的接地方法，其特點(diǎn)是接地方式簡(jiǎn)潔，不用在設(shè)計(jì)過程中考慮過多的問題，在電子設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛（圖1）。但是，此種接地方法容易引起電路的共阻抗耦合，使得各電路模塊間相互產(chǎn)生干擾。

4.3 并聯(lián)單點(diǎn)接地

采用并聯(lián)單點(diǎn)接地的方法可以在一定范圍內(nèi)解決串聯(lián)單點(diǎn)接地出現(xiàn)共阻抗耦合的問題，但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)引入接地線過多的情況，需要在設(shè)計(jì)過程中對(duì)接地方法綜合評(píng)價(jià)，選用合理的接地方法（圖2）[6]。如果有足夠大的電路板面積，可以考慮采用并聯(lián)接地的方式；如果只要電路模塊間進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接，則可采用串聯(lián)模式。

4.4 多點(diǎn)接地

日常設(shè)計(jì)中更多的會(huì)使用多點(diǎn)接地技術(shù)，尤其是在設(shè)計(jì)多模塊電路的過程中，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效排除高頻對(duì)系統(tǒng)的干擾。但是采用這種接地方式容易出現(xiàn)地環(huán)路的問題，因此需要格外注意此問題，以提升系統(tǒng)的可靠性[7]。一些高速設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中需要在其金屬機(jī)殼上多點(diǎn)接地，如圖3 所示。需注意，接地點(diǎn)間距不應(yīng)大于設(shè)備最大工作頻率波長(zhǎng)的1/20。

圖1 串聯(lián)單點(diǎn)接地示意圖

圖2 并聯(lián)單點(diǎn)接地示意圖

圖3 多點(diǎn)接地示意圖

5 結(jié) 論

目前，快速發(fā)展的大規(guī)模集成電路以及高頻電路正在各個(gè)行業(yè)被廣泛應(yīng)用。因此，低阻抗地線設(shè)計(jì)需要給予特別的重視。在設(shè)計(jì)電路的過程中，盡可能地降低電路中的回路面積，有助于提升電路設(shè)計(jì)穩(wěn)定性以及提升電子系統(tǒng)EMC 的性能。在電路的具體設(shè)計(jì)工作中，需要對(duì)多種接地技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，靈活使用接地方法，以達(dá)到快速提升系統(tǒng)穩(wěn)定性的目標(biāo)。