一文講解電力電子設計中的接地系統

一、關于地的前言

在電力電子系統設計中，關于地的話題可以說無處不在，無論是模擬電路還是數字電路，低速系統或者高速系統。很多工程師在入門時甚至工作多年都很困惑這個問題，而不明就里的一些菜鳥覺得“地”就是零電位點，就是電源的負極而已，沒啥好說的。

但是隨著工作的深入，我們在實際設計和應用中遇到關于“地”的問題越來越多，譬如設備在測試時運行正常，到了現場安裝后跑起來就各種問題，在模數混合系統里對不同類型的系統進行地平面分離處理，在產品進行EMC等電磁認證測試時各種干擾問題最后都會落到“地”上。一些技術前輩在指導新人時往往又以“看情況”來解釋相關問題的關鍵，因此，如何從理論到應用的角度去認識“地”可以說是一名工程師進階的重要一步，本篇文章試圖總結一二。首先可以說所謂的“地”，就是系統的一個統一參考點。

二、簡介配電系統的地

我們先從電的起源發電廠說起，大家都知道現在家用的電器大部分供電都是單相電220V/50Hz，有三根線火（L）、零（N）、地（PE），一些大功率工業設備則有采用三相電，那么從發電廠出來的電經過了那些變換才輸送過來的。下圖是利用轉子切割磁感線產生三相電的基本原理，產生的相鄰輸出線之間相位差是120度，采用三相的原因與發電效率和輸出方式相關，不必深究。

在上圖的三相四線制配電系統中，中性線一般接地，因此也被稱為零線。中性線或者零線的作用就是為了取單相電220V，三相電設備和單相電設備供電方式的不同如圖：

而我們一般都知道用電設備要接地，這就是三相五線制中的PE線，也叫保護地線，用來連接設備的金屬外殼防止漏電。那么，下圖就是電廠的電經過變壓傳輸后到達用戶端后的一個復雜配電網絡的配置，屬于低壓配電系統中的常用的TN-S系統。

N線又叫工作接零，用來返回回路電流，PE叫做保護接零，不經過變壓器，用來連接設備金屬外殼到大地。我們可以看一下保護接地的原理：

如果因為線路老化等原因導致設備外殼帶電，在PE線連接的情況下外殼漏電會從PE線過，否則就會從人體流到地，導致觸電。另外還有IT、TT、TN-C等其他幾種適用于不同情況的配電系統，說到這里，除了介紹一些配電系統的接地知識，我們也可以看到的一個關鍵詞就是“回路”，所有的能量都在尋求一個回路，從高到低，所以我們需要根據需求和需要設計這些回路。接著思路下面我們再進一步介紹設備里的屬于弱電系統的電路板電路設計上的地又有何不同之處。

三、詳解電路設計中的地

高壓經過降壓等處理后用來給設備以及電路板上的元器件供電，電路板的作用就是實現信號采集、通訊、控制等功能。電路設計時又根據模擬和數字的不同、高速和低速的不同、功率大小的不同等來分別有相對應的要注意的設計要點。其中一個顯著的點就是我們經常看到的PCB設計中的各種地的劃分，有AGND、PGND、DGND、EARTH，還有浮地技術等等。

（1）關于模擬地和數字地：

模擬信號和數字信號有何不同，初學者大體都會講出連續和非連續這樣的差別，沒錯，但是正弦波和方波帶來的影響是什么？尤其是對地的影響，我們知道在分布參數分析電路中傳輸線的等效模型是LC，地線同樣有這些寄生參數的影響，我們看一下正弦波和方波回路中的地有何差異。

我們可以看到方波因為變化速率快導致存在寄生效應的地線上電位噪聲較大，對于數字電路而言是以高低電平為標準，具有一定的噪聲容限，而如果模擬信號也以同一個地作為參考點，對于微弱信號采集而言則會導致較大的誤差。因此我們需要分別設計地回路，然后單點連接，這樣可以避免數字信號對模擬地的干擾影響模擬信號的采集和處理。曾經在一次處理傳感器信號采集和電磁閥控制的電路設計中就因為未能處理好地回路導致采集信號噪聲太大。

（2）關于高速電路與地

很多同學可能不太分得清信號高速和高頻的差別，高頻是指信號的頻率高，也就是周期小，可以說不分模擬或者數字。而高速電路特指數字電路中的電平變化速率很高，也就是上升沿和下降沿的斜率，我們在頻域里看看數字信號的本質。

方波的FFT變換：

因此我們看到方波包含多次諧波信號，從基波到高次諧波，邊沿變化速率越快越接近這個公式，而對于數字信號帶來的諧波干擾，處理好信號的地環路很重要。對于高速電路如大于10MHz的數字電路，接地一般采用多點接地，也就是信號伴地走，為信號提供最短返回路徑。

一般信號和高速信號的分析差別：

我們再看下數字IO口的產生：

所以對于高速數字信號，設計好就近的返回回路是避免干擾的重要一點，因此在多層PCB設計中信號層貼近電源或者地層設計。

（3）信號屏蔽和地

對于信號的屏蔽保護是為了將外來干擾導入接地，避免通過電磁干擾影響電路，也可以防止電磁泄露干擾其他部分。對于信號線我們常見的是屏蔽線纜：

對于屏蔽線纜的單端接地和兩端接地一直有不同說法，實際應用主要參考原則有幾點：

a、 防止靜電感應的話必須采取單端接地，這樣靜電泄放最快。

b、單端接地主要是衰減低頻干擾，低頻信號建議單端接地。

c、 對于雙層屏蔽線，一般采取內層單端接地泄放靜電，外層雙端接地屏蔽電磁感應。

對于電磁泄露的屏蔽主要涉及到屏蔽外殼的結構設計，尤其是一些縫隙和搭接，在輻射測試中往往是最多出問題的地方。

（4）接口防護和地

我們這里說的接口防護主要是指電磁騷擾防護，具體包括傳導和輻射兩種干擾路徑。傳導的路徑可以是電源和信號線纜，輻射則主要來源于附近的電磁輻射源。對于防護的設計依然是宜疏不宜堵，需要設計干擾的泄放路徑和濾波方式。如一般接口的防護設計：

這里主要的是防護器件的選型和配合使用，如常用的GDT、TVS、磁珠、電感等等。在PCB設計上必須按照信號路徑規范布線，器件放置在接口附近。這里的設計沒有唯一答案，主要在于應用和實際測試的考慮，結合系統設計來給出對應的防護措施和等級。

對于輻射干擾的防護主要是以屏蔽為主，對干擾源和被保護電路進行屏蔽處理。

（5）浮地技術

在電路設計中浮地設計也是很常見的一種方式，就是電路板的地不和外部地連接，而是進行隔離處理，這樣就有形成一個相對封閉的電路參考系統，可以避免外部的干擾。

但是實際應用時有幾點需要著重注意：

a、 容易積累靜電，達到一定程度后可能會導致靜電干擾。

b、對外的寄生電容必須要注意，否則高頻干擾會耦合進來。

我們的一些產品中因為外部電磁環境的惡劣會采取浮地的設計方式，或者采取單點通過電阻電容等接到外殼地。

三、小結

上述內容關于電力電子中地的概念依然比較淺顯，但是確實是最基本的一些原則原理，實際設計中大多依靠這些點來進行。實際上我覺得在這個分析中最重要的理解點是源-阻抗-回路，

對于源（功率源、信號源、干擾源）的回路設計是最基本的出發點，但是在實際中又不能默守陳規嚴格按照原則劃分，否則出現問題的可能性還是很大，比如什么時候模數的地需要分開，如何評估互相之間的影響等，分割地之間的聯系方式等。因此我們需要掌握這些基本原則，對設計有宏觀原則的理解，然后結合實際去設計真正符合應用要求的電路，最后這張圖就是一張非常清晰的關于地設計的結構參考示例。