芯耀
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在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，電磁兼容（EMC）是確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、避免干擾與被干擾的關(guān)鍵領(lǐng)域。而其中，產(chǎn)品接地設(shè)計(jì)又是影響 EMC 性能的核心要素之一。本文將深入探討產(chǎn)品接地設(shè)計(jì)與 EMC 分析方法，幫助您全面理解接地與浮地的概念以及接地在改變共模電流方向中的重要作用。
4.1.1 什么是接地與浮地
在電磁兼容領(lǐng)域，接地有著豐富的內(nèi)涵與多樣的目的，通?？煞譃楸Ｗo(hù)性接地和功能性接地兩大類(lèi)。
保護(hù)性接地
-防電擊接地：這是從安全（safety）角度出發(fā)的重要接地方式，主要用于防止電氣設(shè)備因絕緣損壞或產(chǎn)生漏電流，導(dǎo)致平時(shí)不帶電的外露導(dǎo)電部分帶電而引發(fā)電擊事故。它不僅能限制線路涌流，還能應(yīng)對(duì)低壓線路及設(shè)備因高壓竄入而產(chǎn)生的高電壓情況。當(dāng)電器故障發(fā)生時(shí)，有利于過(guò)電流保護(hù)裝置動(dòng)作，及時(shí)切斷電源，保障人員和設(shè)備安全。這種接地方式也就是狹義上的 “保護(hù)接地”，有時(shí)也被稱(chēng)為 “PGND”。
-防雷接地：雷電或浪涌的能量巨大，防雷接地的作用就是將這些能量引入大地，避免大電流對(duì)人身造成電擊以及對(duì)財(cái)產(chǎn)造成破壞，為設(shè)備和人員在惡劣天氣條件下提供可靠的保護(hù)。
-防靜電接地：在當(dāng)今電子設(shè)備廣泛應(yīng)用集成電路的時(shí)代，靜電對(duì)設(shè)備的危害不容忽視。防靜電接地就是將靜電荷引入大地，防止靜電積聚對(duì)人體和設(shè)備造成損害。要注意的是，這里的防靜電接地與 EMC 意義上的防 ESD（靜電放電）接地有所不同，ESD 是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，而防靜電接地是為了防止電荷累積，避免發(fā)生 ESD 現(xiàn)象，保護(hù)集成電路等敏感元件。
-防電蝕接地：通過(guò)在地下埋設(shè)金屬體作為犧牲陽(yáng)極或陰極，可以有效防止電纜、金屬管道等受到電蝕，延長(zhǎng)這些金屬部件的使用壽命，確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
功能性接地
-功率接地：對(duì)于電力系統(tǒng)而言，功率接地是保證其正常運(yùn)行、防止系統(tǒng)振蕩以及確保繼電保護(hù)可靠性的關(guān)鍵措施。在交直流電力系統(tǒng)中，交流一般選擇中性點(diǎn)進(jìn)行接地，而在電子設(shè)備系統(tǒng)中，除電子設(shè)備系統(tǒng)以外的交直流接地被稱(chēng)為功率地。
-邏輯接地：為了給電子設(shè)備中的電路提供穩(wěn)定的參考電位，通常將所有或局部電路的參考點(diǎn)定義為 “邏輯地” 或 “0V” 地，規(guī)定該點(diǎn)電壓為 0V，電路中其他各點(diǎn)的電壓均以此為基準(zhǔn)。一般會(huì)采用金屬底板或 PCB 中的平面作為邏輯地。在本文中，數(shù)字電路的邏輯接地被稱(chēng)為 “工作地” 或 “GND”，其他模擬信號(hào)系統(tǒng)的邏輯地則被稱(chēng)為 “模擬工作地” 或 “AGND”。
-屏蔽接地：在 EMC 領(lǐng)域，屏蔽接地起著至關(guān)重要的作用。它能夠?qū)⒏蓴_源引入大地，有效抑制外來(lái)電磁干擾對(duì)電子設(shè)備的影響，同時(shí)也能減少電子設(shè)備自身產(chǎn)生的干擾對(duì)其他設(shè)備的影響。在 EMC 測(cè)試時(shí)，這個(gè)接地點(diǎn)通常就是參考接地板。
從接地的定義可以看出，EMC 范疇內(nèi)的接地主要屬于功能性接地。真正意義上的 EMC 良好接地，并非僅僅在原理上將產(chǎn)品中的某一點(diǎn)與大地（或 EMC 測(cè)試中的參考接地板）相連，還包含了頻率的概念。也就是說(shuō)，要求產(chǎn)品接地點(diǎn)與大地（或參考接地板）在 EMC 所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等電位連接，確保地線上不存在明顯的壓降，這樣才能有效保障設(shè)備的電磁兼容性。
而浮地則是指在產(chǎn)品中沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的地線在電氣上與大地（在 EMC 測(cè)試中即參考地板）相連接。如果產(chǎn)品中所有電路都不存在這種電氣連接，那么該產(chǎn)品就是浮地產(chǎn)品；如果只是產(chǎn)品中的局部電路，比如被變壓器、光耦等隔離器件隔離的電路，沒(méi)有專(zhuān)用地線與大地或被接地的電路相連接，那么這部分電路就是浮地電路。
4.1.2 接地是改變共模電流方向的重要因素
在電磁兼容的研究中，共模電流的路徑是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于浮地設(shè)備來(lái)說(shuō)，共模電流的路徑通常由產(chǎn)品中各個(gè)部分（如電纜、各部分電路）對(duì)地的寄生電容以及各個(gè)部分電路之間的寄生電容所決定。
而對(duì)于接地產(chǎn)品，無(wú)論是工作地直接接地還是通過(guò) Y 電容接地，接地點(diǎn)在共模電流路徑中都起著決定性作用。我們知道，電流總是循環(huán)流動(dòng)的，無(wú)論是電路中的有用信號(hào)還是干擾信號(hào)，都是以電子流的形式進(jìn)行傳遞，電子流在到達(dá)負(fù)載后，最終必然要返回至信號(hào)的參考端。在以共模形式注入干擾的 EMC 抗擾度測(cè)試中，典型的如 EFT/B 抗擾度測(cè)試，參考端就是參考接地板，這意味著干擾電流總是從參考接地板返回。
當(dāng)產(chǎn)品中的接地點(diǎn)與參考接地板實(shí)現(xiàn)等電位相連后，產(chǎn)品中的接地點(diǎn)就成為了共模干擾電流返回的主要途徑。對(duì)于正電壓的共模干擾，產(chǎn)品中的接地點(diǎn)是產(chǎn)品中電勢(shì)最低、對(duì)地（參考接地板）阻抗最低的地方，根據(jù)電流流向電勢(shì)較低點(diǎn)的特性，接地點(diǎn)決定了共模電流的流向；對(duì)于負(fù)電壓的共模干擾，產(chǎn)品中的接地點(diǎn)則是產(chǎn)品中電勢(shì)最高、但對(duì)地（參考接地板）阻抗依然最低的地方，此時(shí)接地點(diǎn)作為共模干擾電流的出發(fā)點(diǎn)，流向電勢(shì)較低的點(diǎn)。
由此可見(jiàn)，產(chǎn)品中接地點(diǎn)的選擇對(duì)于共模干擾電流的流向有著至關(guān)重要的影響。如圖 4-1 和圖 4-2 所示，不同的接地點(diǎn)布置會(huì)使共模電流的路徑產(chǎn)生巨大差異。在圖 4-1 中，當(dāng)產(chǎn)品的接地點(diǎn)靠近信號(hào)電纜的輸入口時(shí)，注入信號(hào)電纜的共模干擾電流一進(jìn)入信號(hào)電纜端口就會(huì)直接流入大地；而在圖 4-2 中，當(dāng)接地點(diǎn)遠(yuǎn)離信號(hào)電纜的輸入口，并位于信號(hào)電纜端口的另一側(cè)時(shí)，注入信號(hào)電纜的共模干擾電流將經(jīng)過(guò)整個(gè) PCB 中的電路，再?gòu)男盘?hào)電纜端口的另一側(cè)流入?yún)⒖冀拥匕澹ù蟮兀?，這樣一來(lái)，PCB 中的電路都會(huì)受到共模干擾電流的影響。
通過(guò)合理的接地設(shè)計(jì)來(lái)控制共模電流的流向，是優(yōu)化產(chǎn)品 EMC 性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，能夠有效減少電磁干擾對(duì)設(shè)備的影響，確保設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。
希望通過(guò)以上內(nèi)容，能讓您對(duì)產(chǎn)品接地設(shè)計(jì)與 EMC 分析方法有更深入的理解，為您在電子設(shè)備設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中提供有益的參考，打造出具有良好電磁兼容性的產(chǎn)品。
