“地”对不同的工程师代表不同的含义。
一、来源
电子行业上最先使用“地”这个名词是在电报(telegraph)时代。在早期美国的西部牛仔片,劫匪在抢了银行后射断一条电杆上之电线,让银行无法通知隔壁城镇派出警卫队追捕。这里的电线只有一条,现在的我们知道,电流必须要形成一个完整的环路,由发送到接收,然后必须要再回发送端。但是在当时,电线的价格是非常昂贵的。早期的资本家发现若是发送的一端与接收的一端都接到大地的话,这样就只要一条线而且还能很好的运作。如图,发送端与接收端都“接地”而形成电报回路。
这种对于信号脉冲在每秒5个脉冲以下时,这是一个绝佳的方式。不管地面的传导性如何,信号还是可以传输。缺点也很明显,当信号速率提升时这种方式完全无法使用,因为当频率提升时地面的阻抗也很快速的增加。此时必须考虑到整个的电流路径。不能只是直接的传输路径(信号路径),同时还包括回返电流路径(信号回返电流)。
二、安全地
接地的其中一个主要目的是为了安全。如图中的机箱,若外壳没有接地,当电源线与外壳之间的绝缘良好时,就算外壳上的感应电压很高,但是人接触外壳时也不会发生危险,因为流过人体的电流非常小。最坏的情况是电源线与外壳之间短路,这时全部电流流过人体。除此之外接地还能为雷击电流提供一条泄放路径,当设施或设备中装有浪涌抑制器时,接地是必要的,否则无法泄放浪涌能量。这时,不仅要接地,而且还要“接好地”,也就是,接地的阻抗还必须很低,对于许多静电敏感的场合,接地还是泄放电荷的主要手段。
三、地的干扰
在EMC中,地线会引发干扰问题,所以很多时候分析干扰的时候会用示波器查看地线上的噪声,更多的时候我们发现地线上有干扰噪声,但是不知道怎么来的,也不知道如何解决。
其中的一个原因是因为电流流过一个电阻时,就要在电阻上产生电压。我们用作地线的导体都是有一定阻抗的。因此地线电流流过地线时,就会在地线上产生电压。我们在设计电路时,往往将地线作为所有电路的公共地线,因此地线上的电流成分很多,电压也很杂乱,这就是地线噪声电压。如下图,电路1到电路3都接地,但是接地的点电路1阻抗与电路3差异非常大。
解决办法:设计之初尽量减小地线的阻抗,地线尽量减少寄生电感。灵活使用接地方式,避免出现两端地不平衡。
四、总结
在实际应用中,或多或少都会遇到各种的EMC困扰。对于这些困扰有部分就是因为地线干扰造成。这个时候我们可以用示波器观察到地线上的噪声来确认,对于这种情况就需要通过改善接地的阻抗,还可以合理运用一些共模电感,因为地线电压实际上也是一种共模电压,其实只要找到导致地干扰的原因,再针对性的去做措施,地线上就不会有影响其它问题的干扰。
审核编辑 黄宇
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