各种接地的详细解析

amethystxuan

作为工程师，一定接触过接地这个概念，但你真的了解接地吗？你知道接地可以分为功率地、数字地、模拟地吗？我们来了解一下。
　　首先对接地知识进行一个科普：
　　1 接地的分类
　　接地按其作用可以分为两类：
　　①保护人员和设备不受损害叫保护接地；
　　②保障设备的正常运行的叫工作接地。
　　这里的分类是指接地工程设计施工中考虑的各种要求，并不表示每种“地”都需要独立开来。相反，除了有地电信号抗干扰、设备本身专门要求等特殊原因之外，提倡尽量采用联合接地的方案。
　　1.1、保护接地
　　1.1.1 防雷接地
　　防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为防止造成损害的接地系统。常有信号（弱电）防雷地和电源（强电）防雷地之分，区分的原因不仅仅是因为要求接地电阻不同，而且在工程实践中信号防雷地常附在信号独立地上，和电源防雷地分开建设。
　　1.1.2 机壳安全接地
　　机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电是强电供电（380、220或110V），通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。
　　1.2、工作接地
　　工作接地是为了使系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。
　　1.2.1 信号地
　　信号地（SG）是各种物理量的传感器和信号源零电位以及电路中信号的公共基准地线（相对零电位）。此处信号一般指模拟信号或者能量较弱的数字信号，易受电源波动或者外界因素的干扰，导致信号的信噪比（SNR）下降。特别是模拟信号，信号地的漂移，会导致信噪比下降；信号的测量值产生误差或者错误，可能导致系统设计的失败。因此对信号地的要求较高，也需要在系统中特殊处理，避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰地线直接连接。尤其是微小信号的测量，信号地通常需要采取隔离技术。
　　1.2.2 模拟地
　　模拟地（AG）是系统中模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的处理，又承担大信号的功率处理；既有低频的处理，又有高频处理；模拟量从能量、频率、时间等都很大的差别，因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。减小地线的导线电阻，将电路中的模拟和数字部分开，最后通过电感滤波和隔离，汇接到一起。

　　1.2.3 数字地
　　数字地（DG）是系统中数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会在电源系统中产生比较大的毛刺，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。尽量将电路中的模拟和数字部分分开，最后通过电感，汇接到一起。
　　1.2.4 悬浮地
　　悬浮地（FG）是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。该部分电路的电平是相对于自己“地”的电位。常用在小信号的提取系统或者强电和弱点混合系统中。
　　其优点是该电路不受系统中电气和干扰的影响；缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加对模拟电路的感应干扰。由于该电路的地与系统地没有连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰。 因此，悬浮地的效果不仅取决于悬浮地绝缘电阻的大小，而且取决于悬浮地寄生电容的大小和信号的频率。 在下图所示的VDD-SGND的电源供电系统中，所有工作点相对的地都是SGND，但是SGND和DGND之间是电平处于悬浮状态，VDD-SGND的电源供电的系统与整个系统的连接完全通过变压器耦合，在这里设计的时候需要注意信号的连接方式。
　　1.2.5 电源地
　　电源地是系统电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其他单元稳定可靠地工作。
　　1.2.6 功率地
　　功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大，因此功率地必须与其他弱电地分别设置、分别布线，以保证整个系统稳定可靠地工作。
　　2 接地的形式
　　在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz~10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1-20，否则应采用多点接地法。工作接地按工作频率而采用如图所示几种接地方式。
　　2.1 单点接地
　　工作频率低（《1MHz）的采用单点接地式（即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓），以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种。由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合，所以低频电路最好采用并联的单点接地式。
为防止工频和其他杂散电流在信号地线上产生干扰，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘，且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连（浮地式除外）。
　　2.2 多点接地
　　工作频率高（≥10MHz）的采用多点接地式。在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。
　　采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。此处电路板最好设计为多层电路（4层以上），提供一层作为地平面。

　　2.3 混合接地
　　工作频率介于1MHz~10MHz的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。根据系统的需求和电路的需要进行合理的安排。
　　2.4 悬浮接地
　　悬浮接地是系统的地与大地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。悬浮接地应注意以下几点：
　　（1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统中的共模干扰电流，保证系统的可靠性。
　　（2）注意浮地系统对地存在的较大寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中，在设计时一定要注意。
　　（3）悬浮接地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。
　　（4）采用浮地技术时，系统容易积累静电，当静电积累到一定应程度后，可以对人和设备产生很多的损害，所以要注意静电和电压反击对设备和人身的危害。
　　3 接地电阻
　　3.1 对接地电阻的要求
　　对电路系统而言，接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁，同时还带来系统的工作的不稳定性和发热。为了保护系统的正常工作，我们在设备接地时对接地电阻提出要求，一般要求接地电阻小于4Ω；对于移动设备，接地电阻可小于10Ω。系统接地的等效电路如图4所示。系统接地不好，还会带来寄生电感和寄生电容，这些可以导致地平面发生振荡。

　　3.2 降低接地电阻的方法
　　接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻三部分组成。为此，降低接地电阻的方法有以下三种：
　　3.2.1 降低接地线电阻
　　降低接地线电阻的方法有增大导线的宽度，或者采用多层板，给出一层或者多层电源层，降低导线的内阻。信号层可以对采用覆铜的方式。覆铜的类型有： （1）整板（全部）覆铜； （2）局部（部分）覆铜； （3）分区覆铜（用于地种类复杂，而且地线有不同的分区，比如模数混合电路）； （4）分网络覆铜（系统的特许需要，对某个或者几个特定的网络覆铜）。
　　3.2.2 降低接触电阻
　　降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓、接地极牢靠地连接，同时要考虑系统接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。增加地极和土壤之间的接触面积与紧密度，可以减小接触电阻。 有的设备为了降低接触点之间的电阻，在接触点采用导电性能良好的材料；为了防止金属被氧化而增加接触电阻，必要时可以在接触点镀银或者镀金来保持良好的接触效果，减小接触电阻。
　　3.2.3 降低地电阻
　　降低地电阻，有些特殊系统，必须增加接地极的表面积和增加土壤的导电率（如在土壤中注入盐水）。 接地电阻随着大地电阻率降低而减少。在一些特许系统中，对接地电阻和地电阻要求比较严格时，降低大地的电阻率，增加大地的导电性能是一个很好的办法。
　　分类说明各种接地的不同
　　其实这理论上一样，功率地、数字地和逻辑地的电位都是0，但是实际上，由于电流的存在，PCB上同样网络名的点的电位是不同的，由电流的路径决定。
　　而起不同的名字是为了布线时可以保证各个地独立，不会互相干扰，一般只在供电电源出口处将各个地用0Ω电阻或小电感相连。
　　如果要严格说不同，可以这么说：
　　1. 功率地
　　功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大，因此功率地必须与其他弱电地分别设置、分别布线，以保证整个系统稳定可靠地工作。
　　2. 数字地
　　数字地（DG）是系统中数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会在电源系统中产生比较大的毛刺，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。尽量将电路中的模拟和数字部分分开，最后通过磁珠/电容/电感或0欧姆电阻汇接到一起。
　　3.模拟地
　　模拟地（AG）是系统中模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的处理，又承担大信号的功率处理；既有低频的处理，又有高频处理；模拟量从能量、频率、时间等都很大的差别，因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。