电子产品的接地设计

一路上

1、综述

接地是抑制电磁干扰、提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既能抑制干扰的影响，又能抑制设备向外辐射干扰；反之错误的接地反而会引入严重的干扰，甚至使电子设备无法正常工作。

2、接地的概念

电子设备中的“地”通常有两种含义：一种是“大地（地球零电位基准），保护接地”，另一种是“系统地（电子系统零电位基准），工作接地”。接地就是指在系统的某个选定点与某个电位基准间建立低阻的导电通路。

“接大地”就是以地球的电位作为零电位基准，把电子设备的金属外壳、线路选定点等通过接地线、接地极等组成的接地装置与大地相连接。

“系统地”是指信号回路的基准导体（电子设备通常以金属底座、机壳、屏蔽罩或粗铜线、铜带作为基准导体），并设该基准导体电位为相对零电位，但不是大地零电位，简称为系统地。

接地的目的有两个：一是为了安全，称为保护接地。电子设备的金属外壳必须接大地，这样可以避免因事故导致金属外壳上出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全。二是为电流返回电源提供低阻抗通道。

3、接地的分类

实际上，各种地线都存在电气上或是物理上的联系，不一定有明确的划分。在地系统中，有时一个地既承担保护地，又承担防雷地的作用；或既承担工作地，又承担保护地的作用。而不同功能的地连接，针对的电气对象不同，其处理方式的侧重点还会有所差异。

3.1 “真实大地”或“保护接地(Protecting Earthing)”

保护接地是为了保护设备、装置、电路及人身的安全，防止雷击、静电损坏设备，或在设备故障情况下，保护人身安全。因此在设备、装置、电路的底盘及金属机壳一定要采取保护接地。

保护接地的原理是：当发生漏电时，通过把带故障电压的设备外壳短路到大地或地线端(PE)（要求接地电阻小于4欧姆），电流经过PE端向大地释放电荷，保护过程中产生较大的短路电流使熔丝或空气开关断开，从而达到保护设备和人员安全的作用。因为人体电阻（几百欧姆以上）远大于接地电阻（4欧姆），所以流经人体的电流很小，可以保护操作人员的安全。

注：行业规定，人体安全电压不超过36V（持续接触的安全电压不超过24V，安全电流不超过10mA）。电击对人体的危害程度，主要取决于通过人体电流的大小和通电时间长短。

3.2 “系统地”或“工作接地”或“信号接地”

工作地是单板、母板或系统之间信号的等电位参考点或参考平面，它给信号回流提供了低的阻抗通道。信号质量很大程度上依赖于工作接地质量的好坏。由于受接地材料特性和其他技术因素的影响，接地导体的连接或搭接无论做的如何好，总有一定的阻抗，信号的回流会在工作地线上产生电压降，形成地纹波，对信号质量产生影响；信号越弱，信号频率越高，这种影响就越严重。尽管如此，在设计和施工中最大限度地降低工作接地导体的阻抗仍然是非常重要的。

3.3 “工作接地”或“信号接地”的具体分类

图 1 “地”的分类

“大地”，指地球的零电位基准GND_EARTH。

“电源地”，一般等同于“数字地GND/GNDD/GND_DIGITAL”。

“数字地”，也叫“逻辑地”，是数字电路的零电位参考平面。

“模拟地”，指比较器、放大器、AD转换器，及采样保持器等的零电位参考平面；GNDA/GND_ANALOG。

注：区分“数字地”和“模拟地”的原因是，数字信号变化速度快，且信号的回流路径（回路线）存在一定的阻抗，在地参考平面上引起的噪声相对较大；模拟信号需要较为干净的参考地来工作的，所以需要通过0R电阻或磁珠以单点接地的方式，将“模拟地”连接到“数字地”或“电源地”，防止“数字地”上的噪声耦合到“模拟地”上。

4、接地的方式

电子设备的接地方式有接地、浮地、单点接地（包括串联单点接地和并联单点接地）、多点接地和混合接地。

浮地，属于“工作接地（电路系统的零电位基准）”与“保护接地（真实大地）”之间的连接方式，指“电路系统地”与“大地”之间无连接。

接地，特指电路系统的“工作接地（零电位基准）”与“保护接地（真实大地，地球零电位基准）”之间有连接。实际应用时，常将“工作接地”连接到PCB的安装孔与机壳连接，机壳再与“保护接地”连接。

单点接地、多点接地和混合接地，属于电路系统“工作接地”内部各“地”（如“模拟地”，“数字地”等）之间的连接方式。

4.1 “工作接地（电路系统的零点位参考）”与“保护接地（真实大地）”的连接方式

“工作接地”与“保护接地”之间的连接方式有浮地(一)、浮地(二)、直接接地、屏蔽接地，以及通过高阻和安规电容接地，以下具体阐述各接地的方法及优点。

(1) 浮地方式(一)，电路系统的地参考平面与金属机壳无连接，且机壳与真实大地（保护接地）无连接。

此时的电路系统参考地平面可称为“浮地”（从广义上讲，“浮地”也可以称为“虚地”，因为未连接“大地”，却与“大地”等电位）。区别：狭义的“虚地”，指未连接参考地平面，却与参考地平面等电位的点。

图 2 浮地方式(一)

(2) 浮地方式(二)，电路系统的地参考平面与金属机壳直接连接，但机壳与真实大地（保护接地）无连接。

图 3 浮地方式(二)

(3) 直接接地，电路系统的地参考平面与金属机壳直接连接，且机壳与真实大地（保护接地）直接连接。

优点：可以将金属机壳上积累的静电电荷泄放到“大地”，避免电荷过多积累导致设备工作不稳定。

图 4 直接接地

(4) 屏蔽接地，电路系统的地参考平面与机壳无连接，但机壳与真实大地（保护接地）有连接。

优点：金属机壳构成屏蔽罩，该连接方式可以减少电子电路受外界电磁辐射的干扰。可以将金属机壳上积累的静电电荷泄放到“大地”，避免电荷过多积累导致设备工作不稳定。

图 5 屏蔽接地

(5) 通过高阻和安规电容接地，电路系统的地参考平面通过1000pF/2kV安规电容并联2M欧姆电阻与机壳连接，且机壳与真实大地有连接。这里的电阻有两个作用：① 用于电路系统静电测试后的电荷释放；② 将电路系统零电位基准上的电荷泄放到地球零电位基准。

优点：

(1) 预留用于电路系统静电测试后的电荷释放；

(2) 将电路系统零电位基准上的电荷泄放到地球零电位基准；

(3) 由于机壳与大地PE的直连相对于机壳与电路系统之间2M电阻连接属于低阻，当带静电的人体接触机壳时，可以通过该低阻通道将静电电荷泄放到大地。

(4) 机壳构成屏蔽罩，兼具屏蔽接地方式的优点。

最好是，电路主板上所有对外的接口都用该“通过高阻和安规电容接地”的方式与大地PE连接；好处是，当带静电的人体插拔各接口时，静电脉冲可以通过接口到大地之间的低阻通道泄放电荷，可以避免静电脉冲对接口芯片的损坏。

图 6 通过高阻和安规电容接地

4.2 “工作接地”内部各“地”的连接方式

(1) 单点接地，指电路系统中，只有一个物理点被定义为零电位参考点（地参考点），其他需要接地的点，都连接到该点上，没有“地参考平面”的概念。集总参数电路（指低速电路，布局布线对信号的影响可以忽略）中主要使用单点接地的方式。

另外，单点接地也指将隔离的模拟地通过0R电阻或磁珠连接到数字地或电源地。

(2) 多点接地，指电路系统中的“数字地”“模拟地”“功率地”等分开，都通过0欧姆电阻或磁珠汇总到最近的零电位参考平面（即地参考平面或电源地）上。分布参数电路（指高速电路，寄生电容和寄生电感对信号的影响无法忽略）中主要使用多点接地。

(3) 混合接地，指电路系统中既有单点接地方式也有多点接地方式。

5、设备接地的好处

注：此处“设备接地”中的“接地”，同样特指电路系统零电位基准与“大地”连接。

在工程实践中，除认真考虑电路内部各“地”的连接方式外，通常将电路系统（对外接口，如串口、网口、USB、HDMI等）通过1M或2M电阻并联1000pF/2kV电容与设备外壳连接，再与“大地”连接。该连接方式总结下来有以下几点好处：

(1) 保护接地，将设备正常运行时不带电的金属外壳与“大地”连接，防止设备故障时外壳带电，保护操作人员的安全。前提是，电源入口处有过流保护熔断保险丝或自恢复保险丝，设备故障电流过大时，主板电源被切断，同时与“大地”相连的低阻通道将电容上存储的能量泄放掉。

(2) 防静电接地，将设备外壳上积累的静电电荷泄放到“大地”，避免电荷过多积累导致设备工作不稳定。

(3) 屏蔽地，由于金属机壳构成屏蔽罩的效果，所以可以减小设备在外界电磁干扰下电路系统地相对“大地”零电位基准发生变化而导致的设备工作不稳定。

(4) 静电测试预留，当电路主板需要做静电测试时，2M电阻可以将测试后主板上的静电电荷泄放到“大地”，而不是在主板上因为没有泄放路径而逐渐积累。

所以，综上所述，在电子系统中，“通过高阻和安规电容接地”的方式最优，具有较多的工程应用。

注：电子设备之间的连接，即使是RS422、RS485和CAN等接口传输差分信号，也尽量共地，以避免接口两端的地参考平面存在电位差。