接地的處理在電源完整性中起著至關重要的一環,低速電路中,大家對電源完整性和信號完整性不是很在意,但是在高速電路中,電源完整性(PI)和信號完整性(SI)雖說是兩個不同概念,但卻是相輔相成的關系,都很重要。
本文主要聊一聊電子設備中接地的一些概念。
接地的含義
電子設備中一般有兩種地,一種叫“大地”,也被稱為安全地,另一種是“系統基準地”,也被稱為信號地。
“接大地”指的是以地球的電位為基準(以大地作為零電位),把電子設備的金屬外殼、電路基準點與大地相連接,我們家里很多大功率電器都是三角插頭,其中一個就是用來接大地。
接大地的主要的作用就是泄放靜電,泄放靜電一個是提高設備電路工作的穩定性,還有一個是給操作者提高安全保障。
一些電子設備電路中,雖說沒有直接接大地,但是也有系統基準地(信號地),以假設的一個點來作為基準0電平,對電源來說,就是負極,這部分地沒有處理好,同樣也會影響系統的正常工作。
接地的目的
在電子設備中良好的接地是抑制電磁干擾、提高電子設備EMC性能的重要手段之一,提高抗干擾能力,并能減少對外的EMI發射,可以稱之為屏蔽地,上面接大地說的泄放靜電,可以稱之為保護地/防靜電接地。
接地的方式
接地的方式主要有四點:單點接地、多點接地、浮地和混合接地。
1、單點接地:如上右圖所示,系統只有一個物理點被定義為接地參考點,電路上需要接地的部分都連接到這一點。單點接地適用于低頻電路,一般頻率小于1MHz,主要是因為低頻電路對地阻抗敏感度不高。
數字地和模擬地、DC-DC的功率地和信號地通常都采用單點接地,此單點接地的物理點多用0歐姆電阻或者磁珠連接至主地。
2、多點接地:系統工作頻率變高之后,一般10MHz以上,建議采用多點接地。如上左圖所示,多點接地是將各個接地點直接連接到距離它最近的接地平面上。
3、浮地:其有一個重要的應用是交流電源地和直流電源地分開,交流電源的零線一般接地,采用浮地技術,避免了零線上的干擾影響到直流電源。
4、混合接地:指單點接地和多點接地的組合,下圖所示,兩個系統的接地點都組合到一個公共點,多見于復雜的電路系統中,既有模擬/數字電路,也有高頻/低頻電路。
接地的原則
采用單點接地還是多點接地,是一個復雜的問題,各有利弊,所以不同的電路場合選擇也不一樣。
理想的地線其實是零電位、零阻抗的,實際的地線會有電阻和電抗分量,一旦有電流流過時,就會在上面產生電壓降。當信號線與地線構成回路,可變磁場耦合到此回路時,會在回路中產生感應電動勢,并由地回路耦合到負載,構成潛在的EMI威脅。
DC-DC功率地和信號地采用單點接地還是多點接地好,其實是一個折中選擇,采用單點接地,避免了DC-DC臟的功率地影響其他的地,但是單點接地,這部分地阻抗相應的會增加,如果沒有一個相對好的回流路徑,也是會影響DC-DC的正常工作,從而也會輻射出一些干擾。
系統的工作頻率變高之后,工作波長與接地引線的長度可比擬時,單點接地會有問題。當地線的長度接近于1/4波長時,它就像一根終端短路的傳輸線,地線的電流、電壓呈駐波分布,地線變成了輻射天線,而不能起到“地”的作用(這句話的意思是地的基準電平會改變,不是0)。
多點接地電路簡單,高頻駐波會減少,缺點是電路中會增加很多接地環路,一定程度上會降低會外界磁場的抵御能力。
所以接地的一般選取規則為:
1、低頻電路(《1MHz),建議采用單點接地。
2、高頻電路(》10MHz),建議采用多點接地。
3、高低頻混合電路,采用混合接地。
那么如何確定一個電路是高頻還是低頻電路呢?
高頻一般多見于無線通信領域,包括常見的:
GPS L1頻段:1575.42±1.023MHz
GPS L2頻段:1227.60±1.023MHz
GPS L5頻段:1176.45±1.023MHz
GSM 850/900/1800MHz、WCDMA、LTE等
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