一文讲解电力电子设计中的接地系统

一文讲解电力电子设计中的接地系统

一、关于地的前言

在电力电子系统设计中，关于地的话题可以说无处不在，无论是模拟电路还是数字电路，低速系统或者高速系统。很多工程师在入门时甚至工作多年都很困惑这个问题，而不明就里的一些菜鸟觉得“地”就是零电位点，就是电源的负极而已，没啥好说的。

但是随着工作的深入，我们在实际设计和应用中遇到关于“地”的问题越来越多，譬如设备在测试时运行正常，到了现场安装后跑起来就各种问题，在模数混合系统里对不同类型的系统进行地平面分离处理，在产品进行EMC等电磁认证测试时各种干扰问题最后都会落到“地”上。一些技术前辈在指导新人时往往又以“看情况”来解释相关问题的关键，因此，如何从理论到应用的角度去认识“地”可以说是一名工程师进阶的重要一步，本篇文章试图总结一二。首先可以说所谓的“地”，就是系统的一个统一参考点。

二、简介配电系统的地

我们先从电的起源发电厂说起，大家都知道现在家用的电器大部分供电都是单相电220V/50Hz，有三根线火（L）、零（N）、地（PE），一些大功率工业设备则有采用三相电，那么从发电厂出来的电经过了那些变换才输送过来的。下图是利用转子切割磁感线产生三相电的基本原理，产生的相邻输出线之间相位差是120度，采用三相的原因与发电效率和输出方式相关，不必深究。

在上图的三相四线制配电系统中，中性线一般接地，因此也被称为零线。中性线或者零线的作用就是为了取单相电220V，三相电设备和单相电设备供电方式的不同如图：

而我们一般都知道用电设备要接地，这就是三相五线制中的PE线，也叫保护地线，用来连接设备的金属外壳防止漏电。那么，下图就是电厂的电经过变压传输后到达用户端后的一个复杂配电网络的配置，属于低压配电系统中的常用的TN-S系统。

N线又叫工作接零，用来返回回路电流，PE叫做保护接零，不经过变压器，用来连接设备金属外壳到大地。我们可以看一下保护接地的原理：

如果因为线路老化等原因导致设备外壳带电，在PE线连接的情况下外壳漏电会从PE线过，否则就会从人体流到地，导致触电。另外还有IT、TT、TN-C等其他几种适用于不同情况的配电系统，说到这里，除了介绍一些配电系统的接地知识，我们也可以看到的一个关键词就是“回路”，所有的能量都在寻求一个回路，从高到低，所以我们需要根据需求和需要设计这些回路。接着思路下面我们再进一步介绍设备里的属于弱电系统的电路板电路设计上的地又有何不同之处。

三、详解电路设计中的地

高压经过降压等处理后用来给设备以及电路板上的元器件供电，电路板的作用就是实现信号采集、通讯、控制等功能。电路设计时又根据模拟和数字的不同、高速和低速的不同、功率大小的不同等来分别有相对应的要注意的设计要点。其中一个显著的点就是我们经常看到的PCB设计中的各种地的划分，有AGND、PGND、DGND、EARTH，还有浮地技术等等。

（1）关于模拟地和数字地：

模拟信号和数字信号有何不同，初学者大体都会讲出连续和非连续这样的差别，没错，但是正弦波和方波带来的影响是什么？尤其是对地的影响，我们知道在分布参数分析电路中传输线的等效模型是LC，地线同样有这些寄生参数的影响，我们看一下正弦波和方波回路中的地有何差异。

我们可以看到方波因为变化速率快导致存在寄生效应的地线上电位噪声较大，对于数字电路而言是以高低电平为标准，具有一定的噪声容限，而如果模拟信号也以同一个地作为参考点，对于微弱信号采集而言则会导致较大的误差。因此我们需要分别设计地回路，然后单点连接，这样可以避免数字信号对模拟地的干扰影响模拟信号的采集和处理。曾经在一次处理传感器信号采集和电磁阀控制的电路设计中就因为未能处理好地回路导致采集信号噪声太大。

（2）关于高速电路与地

很多同学可能不太分得清信号高速和高频的差别，高频是指信号的频率高，也就是周期小，可以说不分模拟或者数字。而高速电路特指数字电路中的电平变化速率很高，也就是上升沿和下降沿的斜率，我们在频域里看看数字信号的本质。

方波的FFT变换：

因此我们看到方波包含多次谐波信号，从基波到高次谐波，边沿变化速率越快越接近这个公式，而对于数字信号带来的谐波干扰，处理好信号的地环路很重要。对于高速电路如大于10MHz的数字电路，接地一般采用多点接地，也就是信号伴地走，为信号提供最短返回路径。

一般信号和高速信号的分析差别：

我们再看下数字IO口的产生：

所以对于高速数字信号，设计好就近的返回回路是避免干扰的重要一点，因此在多层PCB设计中信号层贴近电源或者地层设计。

（3）信号屏蔽和地

对于信号的屏蔽保护是为了将外来干扰导入接地，避免通过电磁干扰影响电路，也可以防止电磁泄露干扰其他部分。对于信号线我们常见的是屏蔽线缆：

对于屏蔽线缆的单端接地和两端接地一直有不同说法，实际应用主要参考原则有几点：

a、 防止静电感应的话必须采取单端接地，这样静电泄放最快。

b、单端接地主要是衰减低频干扰，低频信号建议单端接地。

c、 对于双层屏蔽线，一般采取内层单端接地泄放静电，外层双端接地屏蔽电磁感应。

对于电磁泄露的屏蔽主要涉及到屏蔽外壳的结构设计，尤其是一些缝隙和搭接，在辐射测试中往往是最多出问题的地方。

（4）接口防护和地

我们这里说的接口防护主要是指电磁骚扰防护，具体包括传导和辐射两种干扰路径。传导的路径可以是电源和信号线缆，辐射则主要来源于附近的电磁辐射源。对于防护的设计依然是宜疏不宜堵，需要设计干扰的泄放路径和滤波方式。如一般接口的防护设计：

这里主要的是防护器件的选型和配合使用，如常用的GDT、TVS、磁珠、电感等等。在PCB设计上必须按照信号路径规范布线，器件放置在接口附近。这里的设计没有唯一答案，主要在于应用和实际测试的考虑，结合系统设计来给出对应的防护措施和等级。

对于辐射干扰的防护主要是以屏蔽为主，对干扰源和被保护电路进行屏蔽处理。

（5）浮地技术

在电路设计中浮地设计也是很常见的一种方式，就是电路板的地不和外部地连接，而是进行隔离处理，这样就有形成一个相对封闭的电路参考系统，可以避免外部的干扰。

但是实际应用时有几点需要着重注意：

a、 容易积累静电，达到一定程度后可能会导致静电干扰。

b、对外的寄生电容必须要注意，否则高频干扰会耦合进来。

我们的一些产品中因为外部电磁环境的恶劣会采取浮地的设计方式，或者采取单点通过电阻电容等接到外壳地。

三、小结

上述内容关于电力电子中地的概念依然比较浅显，但是确实是最基本的一些原则原理，实际设计中大多依靠这些点来进行。实际上我觉得在这个分析中最重要的理解点是源-阻抗-回路，

对于源（功率源、信号源、干扰源）的回路设计是最基本的出发点，但是在实际中又不能默守陈规严格按照原则划分，否则出现问题的可能性还是很大，比如什么时候模数的地需要分开，如何评估互相之间的影响等，分割地之间的联系方式等。因此我们需要掌握这些基本原则，对设计有宏观原则的理解，然后结合实际去设计真正符合应用要求的电路，最后这张图就是一张非常清晰的关于地设计的结构参考示例。