【導(dǎo)讀】任何電子或電氣電路都有一個(gè)基本屬性，即電路中呈現(xiàn)的電壓都有一個(gè)公共的參考點(diǎn)，這個(gè)公共點(diǎn)習(xí)慣上被稱為地。這個(gè)術(shù)語(yǔ)源自電氣工程實(shí)踐活動(dòng)，在這些活動(dòng)中參考點(diǎn)經(jīng)常是指釘入大地的一顆銅釘。
這個(gè)點(diǎn)也可能是電源與電路之間的的一個(gè)連接點(diǎn)，此時(shí)這個(gè)點(diǎn)被稱為0V(零伏)軌，而地和0V通常是同義詞(有些令人困惑)。這樣，當(dāng)我們談到5V電源或-12V電源或2.5V參考電壓時(shí)，這些電壓的參考點(diǎn)都是0V軌。
而實(shí)際地并不等同于0V。基于安全的原因，需要用地線將設(shè)備連接到大地，在正常工作中地線是不承載電流的。然而，本文中的“接地”一詞是按通常的意義使用的，包括安全地以及信號(hào)與電源返回路徑。
電 路中出現(xiàn)問(wèn)題的最大一個(gè)原因也許是將0V和地想當(dāng)然認(rèn)為是一樣的。事實(shí)上，在一個(gè)工作電路中只有一個(gè)點(diǎn)是真正的0V。“0V軌”的概念實(shí)際上是一種自相矛 盾的說(shuō)法。這是因?yàn)槿魏螌?shí)際導(dǎo)體都有有限的非零電阻和電感，歐姆定律告訴我們，在非零阻抗的任何物體上流過(guò)的電流都將在這個(gè)物體兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓。
一個(gè)工作中的電路將在指定為0V軌的這些導(dǎo)體中形成電流流動(dòng)，因此如果軌的任何一點(diǎn)處于真正的0V(比方電源連線)，那么軌的其它部分將不等于0V。這種情況可以用圖1.1中的例子來(lái)解釋。
圖1.1 0V軌沿線的電壓
假設(shè)0V導(dǎo)體具有10mΩ/英寸的電阻，A、B、C和D點(diǎn)分別間隔一英寸。那么A、B和C點(diǎn)相對(duì)于D點(diǎn)的電壓是：
VC = (I1 + I2 + I3) × 10 mΩ = 400 μV
VB = VC + (I1 + I2) × 10mΩ = 700 μV
VA = VB + (I1) × 10mΩ = 900 μV
現(xiàn) 在，經(jīng)過(guò)上述深入淺出的介紹后，你可能會(huì)說(shuō)，世界上存在成千上萬(wàn)的電路，它們必定都有0V軌，但它們的工作看起來(lái)好得很，因此有什么問(wèn)題呢？大多數(shù)情況下 確實(shí)沒(méi)有問(wèn)題。0V導(dǎo)體的阻抗是毫歐級(jí)別，電流是毫安，因此形成的幾百微伏的壓降根據(jù)不會(huì)損害到電路。0V加上500 μV還是非常接近0V，沒(méi)有人會(huì)擔(dān)心。
這樣的回答問(wèn)題在于，很容易讓人忘記0V軌，并認(rèn)為在所有條件下都是0V，但當(dāng)電路發(fā)生振蕩或不能工作時(shí)會(huì)讓人大吃一驚。可能發(fā)生問(wèn)題的那些條件是：
● 當(dāng)測(cè)得的流動(dòng)電流單位為安培而不是毫安或微安時(shí)；
● 0V導(dǎo)體阻抗的測(cè)量值單位為歐姆而不是毫歐時(shí)；
● 最終壓降不管值是多少，其數(shù)量級(jí)或配置情況都將影響到電路正常工作。[page]
什么時(shí)候考慮接地
優(yōu)秀的電路設(shè)計(jì)師的優(yōu)秀品質(zhì)之一是，知道何 時(shí)需要慎重考慮這些條件，何時(shí)可以安全地忽略這些條件。通常的復(fù)雜性在于，你作為電路設(shè)計(jì)師可能不負(fù)責(zé)電路版圖，版圖設(shè)計(jì)要交給專門的版圖人員完成(他們 又可能會(huì)將許多布線策略交給軟件包)。接地對(duì)版圖來(lái)說(shuō)總是敏感的，不管是分立的布線還是印刷電路板，如果設(shè)計(jì)要求比較高，設(shè)計(jì)師就必須在這方面具備一定的 知識(shí)，并進(jìn)行有效控制。
這里的技巧是要確保你知道哪里有地返回電流在流動(dòng)，這種流動(dòng)有什么后果。或者如果這太復(fù)雜的話，確保不管這些電流在哪里流動(dòng)，造成的不良后果最小。雖然上述評(píng)論的對(duì)象是0V和地線，因?yàn)樗鼈兪亲畋徽J(rèn)可的，但問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是普遍性的，適用于電流流經(jīng)的任何導(dǎo)體。電源軌(或軌)是另外一種特殊情況，此時(shí)的導(dǎo)體阻抗可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。
1 在一個(gè)單元內(nèi)的接地
本文中提到的“單元”可以指單個(gè)電路板或一組電路板以及在同一個(gè)外殼內(nèi)與之相連的其它線纜，因此你可以確定一個(gè)“局部”的接地點(diǎn)，比如主電源地的接入點(diǎn)。圖1.2給出了一個(gè)例子。
圖1.2 典型的單元內(nèi)部走線機(jī)制
假設(shè)如印刷電路板(PCB)1包含輸入信號(hào)調(diào)節(jié)電路，PCB2包含用于信號(hào)處理的微處理器，PCB3包含大電流輸出驅(qū)動(dòng)器，比如用于繼電器或燈的驅(qū)動(dòng)器。你可能不會(huì)把所有這些功能放在分開(kāi)的板上，但如果按分開(kāi)的方式考慮可以更容易描述和理解其中的原理。
電源單元(PSU)為前兩塊電路板提供低壓電源，為輸出電路板提供較高的電源。這是一種相當(dāng)普遍的系統(tǒng)版圖，圖1.2可以用作說(shuō)明好壞實(shí)踐的起點(diǎn)。[page]
2 機(jī)箱地
首先需要注意的是，地線只連接到金屬機(jī)箱或外殼的一個(gè)點(diǎn)。所有需要連到機(jī)箱的地線都被引到這個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)應(yīng)該是專用于此目的的金屬螺柱。
這些連線有主電源安全地(后面會(huì)有更詳細(xì)的討論)、0V電源軌以及電源本身可能要求的任何屏蔽與濾波連接(如變壓器中的靜電屏蔽)。
機(jī)箱單點(diǎn)接地的目的是為了防止在機(jī)箱中形成循環(huán)電流1。如果使用多個(gè)接地點(diǎn)，即使存在另外一條電流返回路徑，機(jī)箱中也會(huì)有與之成比例的電流流動(dòng)(圖1.3)。具體比例則取決于阻抗比，而阻抗又取決于頻率。
圖1.3 具有多個(gè)接地點(diǎn)的返回電流路徑
這種電流很難預(yù)測(cè)，而且可能受到結(jié)構(gòu)變化的影響，因此它們會(huì)產(chǎn)生極其意外又令人惱火的效應(yīng)：可能花了很長(zhǎng)時(shí)間去跟蹤振蕩或干擾問(wèn)題，最后發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)箱板上一顆不起眼的螺釘經(jīng)過(guò)緊固后問(wèn)題消失了。
機(jī)箱連接處會(huì)受腐蝕的影響，因此單元性能可能隨時(shí)間推移而劣化，而且會(huì)受機(jī)箱材料表面氧化的影響。如果你使用多點(diǎn)機(jī)箱接地，那么更加仔細(xì)地考慮機(jī)箱電氣結(jié)構(gòu)就很有必要。
但是，當(dāng)要求射頻屏蔽和/或低電感接地時(shí)，多點(diǎn)接地也許是必須的。
3 鋁的導(dǎo)電特性
由于鋁是一種輕量、堅(jiān)固和高導(dǎo)電性的機(jī)箱材料，在整個(gè)電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用——只有銀、銅和金具有更高的導(dǎo)電率。鋁機(jī)箱具有相當(dāng)?shù)偷捏w電阻，因此非常適合用作導(dǎo)電接地端。
遺 憾的是，鋁的另外一種屬性(在其它情況下非常有用)是它的表面很容易氧化，以致于所有實(shí)際使用的鋁材都覆蓋有一層氧化鋁(Al2O3)薄膜。氧化鋁是一種 絕緣物質(zhì)。事實(shí)上，它的絕緣性能相當(dāng)好，以致于陽(yáng)極電鍍鋁常用作散熱器上的絕緣墊圈，因?yàn)樵谶@種鋁材表面通過(guò)化學(xué)處理方法專門生成了一層很厚的氧化膜。
這 種品質(zhì)的氧化鋁的實(shí)用結(jié)果是，連接在一起的兩層鋁之間的接觸電阻異常高。實(shí)際電氣接觸只是在氧化膜破裂的地方。因此無(wú)論何時(shí)只要你想保持由多片鋁板做成的 機(jī)箱的導(dǎo)電連續(xù)性，你必須確保鋁板緊密地綁定在一起，最好采用焊接或緊固的方法，后者可以使用防震鋸齒形墊圈并使之深入鋁材表面。
接地點(diǎn)可以采用同樣的方法。最好的連接方式是壓接或焊接螺柱(因?yàn)殇X焊接起來(lái)比較困難) (圖1.4)，但如果這種方式不可用的話，可以在與鋁材接觸的螺母下面使用防震鋸齒形墊圈。
圖1.4：到鋁材的電氣連接
[page]其它材料
另外一種常用的機(jī)箱材料是鍍鎘或鍍錫的鋼材，這種材料不存在氧化的問(wèn)題。低碳鋼的體電阻是鋁材的三倍，因此導(dǎo)電性不是太好，但它具有更好的磁屏蔽屬性，并且價(jià)格較低。
壓 鑄型鋅材也非常流行，因?yàn)樗亓枯p，強(qiáng)度大，并且通過(guò)壓鑄工藝很容易做成復(fù)雜的形狀。鋅的導(dǎo)電性是銅的28%。在導(dǎo)電性為主、成本次要的場(chǎng)合(比如射頻電 路)，還可以使用其它金屬，特別是鍍銀的銅。(在鍍銀層表面形成的)氧化銀優(yōu)點(diǎn)是具有導(dǎo)電性，并且很容易焊接。表1.1給出了幾種金屬的導(dǎo)電性和溫度系 數(shù)。
表1.1 幾種金屬的電導(dǎo)率。
4 接地環(huán)路
機(jī)箱單點(diǎn)接地的另外一個(gè)理由是，循環(huán)的機(jī)箱電流與其它接地線結(jié)合在一起時(shí)會(huì)產(chǎn)生所謂的“接地環(huán)路”，這是低頻磁感應(yīng)干擾的一個(gè)重要來(lái)源。
磁場(chǎng)感應(yīng)出的電流只能在閉環(huán)電路中流動(dòng)。磁場(chǎng)廣泛存在于電源變壓器周圍——不僅是傳統(tǒng)的50Hz主變(美國(guó)是60Hz)，還有開(kāi)關(guān)電源中使用的高頻開(kāi)關(guān)變壓器和電感——以及其它電磁設(shè)備周圍，如電流接觸器、螺線管和風(fēng)扇。同時(shí)還可能存在外部磁場(chǎng)。
楞次定律告訴我們，環(huán)路中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)(EMF)是：
V = -10-8 × A × n × dB/dt
其中A是單位為cm2的環(huán)路面積，B是假設(shè)均勻磁場(chǎng)條件下單位為μT的歸一化通量密度，n是匝數(shù)(單匝環(huán)路時(shí)n=1)。
舉個(gè)例子，在合理尺寸的主變壓器、電流接觸器或電機(jī)附近通常有一個(gè)10 μT 50Hz的磁場(chǎng)，它們以合適的角度穿過(guò)一個(gè)面積為10cm2的環(huán)路平面(這個(gè)平面是在長(zhǎng)10cm的機(jī)箱上方1cm處安裝一段導(dǎo)體并在兩端接地的情況下形成的)，這時(shí)感應(yīng)到的電動(dòng)勢(shì)是：
V = -10-8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t)
= -10-8 × 10 × 1000π × cos ωt
= 314 μV peak
磁場(chǎng)感應(yīng)通常是一種低頻現(xiàn)象(除非你剛好非常靠近一臺(tái)大功率的無(wú)線發(fā)射器)，從這個(gè)例子可以看出，在大多數(shù)情況下感應(yīng)到的電壓是很低的。但在低電平應(yīng)用中，特別是音頻和精密儀器，這些電壓就變得相當(dāng)顯著。如果輸入電路包含一個(gè)接地環(huán)路，干擾電壓將與有害信號(hào)一起直接注入進(jìn)來(lái)，并且無(wú)法分離。解決這個(gè)問(wèn)題的方法有：
● 通過(guò)只在一點(diǎn)接地打開(kāi)環(huán)路
● 通過(guò)將侵害線靠近地平面或機(jī)箱布線或直接短路來(lái)減少環(huán)路面積(上面公式中的A項(xiàng))
● 通過(guò)重新調(diào)整環(huán)路或干擾源的位置或方向來(lái)減少歸一化到環(huán)路的磁通量
● 減少干擾源，比如使用環(huán)形變壓器
