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机电产品系统接地设计

机电产品系统接地设计

有几次做培训的时候,答疑期间屡屡被问到一个问题,“接地是产品安规设计和电磁兼容设计的一个极重要的问题,并且听起来很简单,几乎每个设计者都在做,但真正做好的也不多,你能不能给出一种好的接地方法来,总结成放之四海而皆准的接地设计规律来”。提出此看法的工程师有电力电子设备的、医疗电子设备的、还有IC设计的和大型强弱电综合系统集成的,这些不同的专业,又因为其应用环境的不同,产品特点的不同而导致了接地的各种特色。经过了半年多的思考提炼,我把接地的规律性、基础性的思维方法总结出来,希望它能成为放之四海而皆可用的万能钥匙。

接地的定义是电流回流的最小阻抗路径。此定义有点晦涩难懂,但它有一点是很明确的,它秉承了“有奶便是娘”的人生哲学,是典型的机会主义,哪条通路阻抗小,电流就往哪条路去,这一条提示我们注意:接地的导通通路未必就是我们所认为所设计的那条路径,因为那条路径可能不是最小阻抗的,千万不要想当然认为我给你画出了路子,你就必须得走。鲁迅先生写道“世上本没有路,走的人多也便成了路”。所以电路设计中,要有意识的将可能但我们不希望产生电流接地通路的地方cut掉,让电流走唯一的路径到地,我们设计的措施也将会针对性强得多。

这里面有一个最简单的设计例子,电路板的安装柱一般用金属的,并且习惯性的接到金属壳上去,将电路板的信号地和外壳保护地接了起来,此方法正确与否下面会有专题探讨,这里只说一点,安装柱一般不会只有一个,这样的原因,电流的回流路径就可能不止一个了。信号连接器的外壳是否接地、屏蔽电缆层是否接地、金属机箱的各组成壳体之间的接触是否良好、外壳或固定电路板的金属安装板之间的连接阻抗是否足够低,等等地方都会涉及到这个问题。所以地通路要做被设计者玩弄于股掌之间,运筹于帷幄之内。

地有几个作用,在不同的地方作用可能不同,要识别清楚,因为不同用途的设计重点可能不同,就像男人,在单位的是经理,在家里是修理工。地主要有三个作用,信号回流、平衡电位、泄放电流。区别在哪呢?

回流就是去流信号要从地线回来,地线的阻抗大了会产生压降引起信号失真、信号和地组成的环路会引入空间辐射干扰(右手定则可以分析出来)、非独立地线(公用地线)会因为甲信号的波动导致地线漂移,而乙信号受到影响。如下图:GA段和AB段是公共阻抗,电路1、电路2、电路3流经公共阻抗的回流信号会导致地线基准发生飘移,如果电路1和电路2之间发生了信号的传递,地线基准的不同将引起信号数据的失真。这个就是多点接地、单点接地、混合接地的问题。

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如果是平衡电位的,地线各部分之间导通电阻就要足够小,不然不能做到地电位的均衡性。如果是泄放电流的,就要保证入地阻抗足够低,并且地线要能耐大电流,比如防雷接地的地线。

另一个就是静电接地和普通接地的区别。一提到接地,都是阻抗越低越好,但对静电接地不然,静电接地阻抗一般在1M-1000M欧姆,原因是阻抗太高等同于绝缘,积累的电荷泄放不掉,这个道理与普通接地无异,但导通阻抗太低,泄放得太快也不是好事,因为在有用电路上积累的静电荷,如果瞬间泄放的话,会导致不可控的电路上有瞬间尖峰电流通过,对芯片内部的走线、PCB的信号线、电气接触的触点等地方会产生影响,导致不可见的累积性损伤,当时看不出来,日久年深出现问题,比如电容的漏电流超标就可能是其一个可能的后果。

虽然地的作用都是把电荷导入大地,那是否保护接地、防雷接地、信号接地是否可以接到一起。答案自然是不能,原因何在?雷电浪涌的释放电流偏大,瞬间释放,即使导通阻抗再低,也会产生很大压降,这个电压对其它弱信号的影响就大了。另外,这个电荷瞬间泄放不掉的话,还会反激到其他电路中去。打雷时家里电器被毁有一些就是这个因素。

接地设计还有个容易产生问题的误区,我们常常把地接上了,万用表一测,导通阻抗很低,就基本不会考虑接地的啥问题了,但正应了一句话“很多人不是死于疾病,而是死于治疗本身”。这里面恰恰就有一个微观的问题,接地线本身如果仅是一根铜线的话,虽然导通阻抗不高,但万用表测出的仅仅是直流电阻,而线缆上是有电感的,低频或直流时候,电感效应不明显,在高频的时候,接地线的高频阻抗就很大了,地线上的高频干扰不能被及时泄放掉,于是会产生电磁兼容问题,因为地线的波动会与信号端产生差模干扰。一般的专业接地设备、或在电磁兼容实验室里,接地都用扁平金属蛇皮电缆或宽的铜皮,其道理就是减小地线的电感效应,达到低高频阻抗的目的。这是一个高频思维的问题,要把它和直流思维分开。

多点接地、单点接地、混合接地到底哪一个好,这是一个已经争论了很久,估计还将持续争论下去的话题,给出一个经验型的参考来。首先鼓励单点接地,但当单点接地情况下,地线的长度大于或等于线上信号波长的1/20的时候,就不能单点接地了,要换成多点接地,且接地点之间的距离不超过信号波长的1/20。

曾经碰到过这样一个案例,A设备接地良好,单机调试ok,在机房与B机信号电缆相连,只要一连上,空开就跳闸,漏电流超标,两台设备单独用时都没问题。这是一个系统接地和单机接地的问题。这在具体设计时候进行控制和分析即可,没有太特别的地方。只是注意尽量不要为其他设备提供辅助电源,尽量考虑现场接地不良情况下对机器可能的影响,因为接地不良经常存在。

以上简单论述了接地几个需要注意的地方,也是比较常见的问题和误区。希望引起足够的警惕,避免“沉舟侧畔千帆堕,病树前头万木枯”的局面发生起来。
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