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日志

各种电路地探讨

热度 1已有 7541 次阅读2017-6-16 16:40 |个人分类:电子学|系统分类:模拟技术| 控制系统, 传感器, 电源, 开关, 外壳

电源的地不能看成模拟地,信号地也不能看成数字地。因为电源有给模拟电路供电的,有给数字电路供电的。信号有数字信号和模拟信号。



主要是根据电路的性能来分割地,对于数字信号3.3v电路,25V电路和5V电路的地也可能有分开的需要。即使是同一个供电的数字电路,有时候也有布线的要求,例如大电流的IO部分的地,可能需要单独处理。



大地一般指机壳,这个部分有ESD和屏蔽的需要的。有些时候电路地通过一个1M电阻同外壳相连,有时候直接连接。要根据应用和ESD的要求来处理。



总之,地的逻辑连接特性和PCB上的物理特性是要区分来看的。理论上讲地是0电压的,但是在实际PCBA上地是有很多噪声和反弹的。



关于接地:数字地、模拟地、信号地、交流地、直流地、屏蔽地、浮地



除了正确进行接地设计、安装,还要正确进行各种不同信号的接地处理。控制系统中,大致有以下几种地线:



1)数字地:也叫逻辑地,是各种开关量(数字量)信号的零电位。



2)模拟地:是各种模拟量信号的零电位。



3)信号地:通常为传感器的地。



4)交流地:交流供电电源的地线,这种地通常是产生噪声的地。



5)直流地:直流供电电源的地。



6)屏蔽地:也叫机壳地,为防止静电感应和磁场感应而设。



以上这些地线处理是系统设计、安装、调试中的一个重要问题。下面就接地问题提出一些看法:



1)控制系统宜采用一点接地。一般情况下,高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。在低频电路中,布线和元件间的电感并不是什么大问题,然而接地形成的环路的干扰影响很大,因此,常以一点作为接地点;但一点接地不适用于高频,因为高频时,地线上具有电感因而增加了地线阻抗,同时各地线之间又产生电感耦合。一般来说,频率在1MHz以下,可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在110MHz之间可用一点接地,也可用多点接地。



2)交流地与信号地不能共用。由于在一段电源地线的两点间会有数mV甚至几V电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因此必须加以隔离和防止。



3)浮地与接地的比较。全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来,这种方法简单,但整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ。这种方法具有一定的抗干扰能力,但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法,就是将机壳接地,其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强,安全可靠,但实现起来比较复杂。



4)模拟地。模拟地的接法十分重要。为了提高抗共模干扰能力,对于模拟信号可采用屏蔽浮技术。对于具体模拟量信号的接地处理要严格按照操作手册上的要求设计。



5)屏蔽地。在控制系统中为了减少信号中电容耦合噪声、准确检测和控制,对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地;电磁场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰。利用低阻金属材料高导流而制成,可接大地。磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。当信号电路是一点接地时,低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层地点有一个以上时,将产生噪声电流,形成噪声干扰源。当一个电路有一个不接地的信号源与系统中接地的放大器相连时,输入端的屏蔽应接至放大器的公共端;相反,当接地的信号源与系统中不接地的放大器相连时,放大器的输入端也应接到信号源的公共端。



对于电气系统的接地,要按接地的要求和目的分类,不能将不同类接地简单地、任意地连接在一起,而是要分成若干独立的接地子系统,每个子系统都有其共同的接地点或接地干线,最后才连接在一起,实行总接地。



 



问答



 



Q1:为什么要接地?



Answer:接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施,目的是把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入到大地,从而起到保护建筑物的作用。同时,接地也是保护人身安全的一种有效手段,当某种原因引起的相线(如电线绝缘不良,线路老化等)和设备外壳碰触时,设备的外壳就会有危险
电压产生,由此生成的故障电流就会流经PE线到大地,从而起到保护作用。随着电子通信和其它数字领域的发展,在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足
要求了。比如在通信系统中,大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。而且随着电子设备的复杂化,信号频率越来越高,因此,在接地设计中,信号之间的互扰等电磁兼容问题必须给予特别关注,否则,接地不当就会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。最近,高速信号的信号回流技术
中也引入了“地”的概念。



Q2:接地的定义



Answer:



在现代接地概念中、对于线路工程师来说,该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’;对于系统设计师来说,它常常是机柜或机架;对电气工程师来说,它是绿色安全地线或接到大地的意思。一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。



Q3:常见的接地符号



Answer:



PE,PGND,FG-保护地或机壳;BGNDDC-RETURN-直流-48V(+24V)电源(电池)回流;GND-工作地;DGND-数字地;AGND-模拟地;LGND-防雷保护地 .GND在电路里常被定为电压参考基点。从电气意义上说,GND分为电源地和信号地。PGPower Ground(电源地)的缩写。另一个是 Signal Ground(信号地)。实际上它们可能是连在一起的(不一定是混在一起哦!)。两个名称,主要是便于对电路进行分析。进一步说,还有因电路形式不同而必须区分的两种“地”:数字地,模拟地.数字地和模拟地都有信号地、电源地两种情况。数字地和模拟地之间,某些电路可以直接连接,有些电路要用电抗器连接,有些电路不可连接。



Q4:合适的接地方式



Answer:



接地有多种方式,有单点接地,多点接地以及混合类型的接地。而单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。一般来说,单点接地用于简单电路,不同功能模块之间接地区分,以及低频(f<1MHz)电子线路。当设计高频(f>10MHz)电路时就要采用多点接地了或者多层板(完整的地平面层)。



Q5:信号回流和跨分割的介绍



Answer:对于一个电子信号来说,它需要寻找一条最低阻抗的电流回流到地的途径,所以如何处理这个信号回流就变得非常的关键。



第一,根据公式可以知道,辐射强度是和回路面积成正比的,就是说回流需要走的路径越长,形成的环越大,它对外辐射的干扰也越大,所以,PCB布板的时候要
尽可能减小电源回路和信号回路面积。



第二,对于一个高速信号来说,提供有好的信号回流可以保证它的信号质量,这是因为PCB上传输线的特性阻抗一般是以地层(或电源层)为参考来计算的,如果
高速线附近有连续的地平面,这样这条线的阻抗就能保持连续,如果有段线附近没有了地参考,这样阻抗就会发生变化,不连续的阻抗从而会影响到信号的完整性。所以,布线的时候要把高速线分配到靠近地平面的层,或者高速线旁边并行走一两条地线,起到屏蔽和就近提供回流的功能。



第三,为什么说布线的时候尽量不要跨电源分割,这也是因为信号跨越了不同电源层后,它的回流途径就会很长了,容易受到干扰。当然,不是严格要求不能跨越电源分割,对于低速的信号是可以的,因为产生的干扰相比信号可以不予关心。对于高速信号就要认真检查,尽量不要跨越,可以通过调整电源部分的走线。(这是针对多层板多个电源供应情况说的)



Q6:为什么要将模拟地和数字地分开,如何分开?



Answer:模拟信号和数字信号都要回流到地,因为数字信号变化速度快,从而在数字地上引起的噪声就会很大,而模拟信号是需要一个干净的地参考工作的。如果模拟地和数字地混在一起,噪声就会影响到模拟信号。
一般来说,模拟地和数字地要分开处理,然后通过细的走线连在一起,或者单点接在一起。总的思想是尽量阻隔数字地上的噪声窜到模拟地上。当然这也不是非常严格的要求模拟地和数字地必须分开,如果模拟部分附近的数字地还是很干净的话可以合在一起。



Q7:单板上的信号如何接地?



Answer:对于一般器件来说,就近接地是最好的,采用了拥有完整地平面的多层板设计后,对于一般信号的接地就非常容易了,基本原则是保证走线的连续性,减少过孔数量;靠近地平面或者电源平面,等等。



Q8:单板的接口器件如何接地?



Answer:有些单板会有对外的输入输出接口,比如串口连接器,网口RJ45连接器等等,如果对它们的接地设计得不好也会影响到正常工作,例如网口互连有误码,丢包等,并且会成为对外的电磁干扰源,把板内的噪声向外发送。一般来说会单独分割出一块独立的接口地,与信号地的连接采用细的走线连接,可以串上 0欧姆或者小阻值的电阻。细的走线可以用来阻隔信号地上噪音过到接口地上来。同样的,对接口地和接口电源的滤波也要认真考虑。



Q9:带屏蔽层的电缆线的屏蔽层如何接地?



Answer:屏蔽电缆的屏蔽层都要接到单板的接口地上而不是信号地上,这是因为信号地上有各种的噪声,如果屏蔽层接到了信号地上,噪声电压会驱动共模电流沿屏蔽层向外干扰,所以设计不好的电缆线一般都是电磁干扰的最大噪声输出源。当然前提是接口地也要非常的干净混合电路里面做标示用的,VCC表示模拟信号电源,GND表示模拟信号地,VDD表示数字信号电源,VSS表示数字电源地
VCC主要表示Bipolar电路的电源,C表示Collector集电极,电源一般接在NPN的集电极(或PNP的发射极),集成电路刚出现时只有NPN管,后来才有集成进去的PNP管。VDD/VSS一般表示MOS电路的电源和“地”,D/S分别表示MOS管的Drain()/Source()



一、解释 VCCC=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压;



VDDD=device表示器件的意思, 即器件内部的工作电压;



VSSS=series表示公共连接的意思,通常指电路公共接地端电压。



二、说明



1、对于数字电路来说,VCC是电路的供电电压,VDD是芯片的工作电压(通常Vcc>Vdd),VSS是接地点。



2、有些IC既有VDD引脚又有VCC引脚,说明这种器件自身带有电压转换功能。



3、在场效应管(或COMS器件)中,VDD为漏极,VSS为源极,VDDVSS指的是元件引脚,而不表示供电电压。



VDD:电源电压(单极器件);电源电压(4000系列数字电 路);漏极电压(场效应管)



VCC:电源电压(双极器件);电源电压(74系列数字电路);声控载波(Voice
ControlledCarrier)



VSS:地或电源负极



VEE:负电压供电;场效应管的源极(S



VPP:编程/擦除电压。



详解:



在电子电路中,VCC是电路的供电电压, VDD是芯片的工作电压:



VCCC=circuit表示电路的意思, 即接入电路的电压,
D=device
表示器件的意思, 即器件内部的工作电压,在普通的电子电路中,一般Vcc>Vdd !



VSSS=series表示公共连接的意思,也就是负极。



有些IC 同时有VCCVDD
这种器件带有电压转换功能。



在“场效应”即COMS元件中,VDDCMOS的漏极引脚,VSSCMOS的源极引脚,
这是元件引脚符号,它没有“VCC”的名称,你的问题包含3个符号,VCC / VDD /VSS
这显然是电路符号



 



电磁兼容中的接地技术




要:讨论了电磁兼容中的接地技术,包括接地的种类和目的、接地方式、接地电阻的计算以及设备和系统的接地等。其主要目的在于提高电力电子设备的电磁兼容能力。



关键词:接地技术;电磁兼容;干扰



1 引言



接地技术最早是应用在强电系统(电力系统、输变电设备、电气设备)中,为了设备和人身的安全,将接地线直接接在大地上。由于大地的电容非常大,一般情况下可以将大地的电位视为零电位。后来,接地技术延伸应用到弱电系统中。对于电力电子设备将接地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上,当电流通过该参考电位时,不应产生电压降。然而由于不合理的接地,反而会引入了电磁干扰,比如共地线干扰、地环路干扰等,从而导致电力电子设备工作不正常。可见,接地技术是电力电子设备电磁兼容技术的重要内容之一,有必要对接地技术进行详细探讨。



2 接地的种类和目的



电力电子设备一般是为以下几种目的而接地:



2.1 安全接地



安全接地即将机壳接大地。一是防止机壳上积累电荷,产生静电放电而危及设备和人身安全;二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时,促使电源的保护动作而切断电源,以便保护工作人员的安全。



2.2 防雷接地



当电力电子设备遇雷击时,不论是直接雷击还是感应雷击,电力电子设备都将受到极大伤害。为防止雷击而设置避雷针,以防雷击时危及设备和人身安全。



上述两种接地主要为安全考虑,均要直接接在大地上。



2.3 工作接地



工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时,视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化,从而导致电路系统工作的不稳定。当该基准电位与大地连接时,基准电位视为大地的零电位,而不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不正确的工作接地反而会增加干扰。比如共地线干扰、地环路干扰等。



为防止各种电路在工作中产生互相干扰,使之能相互兼容地工作。根据电路的性质,将工作接地分为不同的种类,比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。



2.3.1 信号地



信号地是各种物理量的传感器和信号源零电位的公共基准地线。由于信号一般都较弱,易受干扰,因此对信号地的要求较高。



2.3.2 模拟地



模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。由于模拟电路既承担小信号的放大,又承担大信号的功率放大;既有低频的放大,又有高频放大;因此模拟电路既易接受干扰,又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。



2.3.3 数字地



数字地是数字电路零电位的公共基准地线。由于数字电路工作在脉冲状态,特别是脉冲的前后沿较陡或频



率较高时,易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。



2.3.4 电源地



电源地是电源零电位的公共基准地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元,而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别,因此既要保证电源稳定可靠的工作,又要保证其它单元稳定可靠的工作。



2.3.5 功率地



功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高,所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置,以保证整个系统稳定可靠的工作。



2.4 屏蔽接地



屏蔽与接地应当配合使用,才能起到屏蔽的效果。



比如静电屏蔽。当用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来,在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷,外侧出现与带电导体等量的正电荷,因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地,外侧的正电荷将流入大地,外侧将不会有电场存在,即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。



再比如交变电场屏蔽。为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压,可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体,并将金属屏蔽体接地。只要设法使金属屏蔽体良好接地,就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。



上述两种接地主要为电磁兼容性考虑。



3 接地方式



工作接地按工作频率而采用以下几种接地方式:



3.1 单点接地



工作频率低(<1MHz)的采用单点接地式(即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点,所有对地连接都接到这一点上,并设置一个安全接地螺栓),以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种,由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合,所以低频电路最好采用并联的单点接地式。



为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连(浮地式除外)。



地线的长度与截面的关系为:



S>0.83L 1



式中:L——地线的长度,m



S——地线的截面,mm2



3.2 多点接地



工作频率高(>30MHz)的采用多点接地式(即在该电路系统中,用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路)。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比,工作频率高时将增加共地阻抗,从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰,所以要求地线的长度尽量短。采用多点接地时,尽量找最接近的低阻值接地面接地。



3.3 混合接地



工作频率介于130MHz的电路采用混合接地式。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时,采用单点接地式,否则采用多点接地式。



3.4 浮地



浮地式即该电路的地与大地无导体连接。其优点是该电路不受大地电性能的影响;其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰;由于该电路的地与大地无导体连接,易产生静电积累而导致静电放电,可能造成静电击穿或强烈的干扰。因此,浮地的效果不仅取



决于浮地的绝缘电阻的大小,而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率。



4 接地电阻



4.1 对接地电阻的要求



接地电阻越小越好,因为当有电流流过接地电阻时,其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外,还会使设备受到反击过电压的影响,并使人员受到电击伤害的威胁。因此一般要求接地电阻小于4Ω;对于移动设备,接地电阻可小于10Ω。



4.2 降低接地电阻的方法



接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种:



——降低接地线电阻,为此要选用总截面大和长度短的多股细导线。



——降低接触电阻,为此要将接地线与接地螺栓、接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。



——降低地电阻,为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率(如在土壤中注入盐水)。



4.3 接地电阻的计算



垂直接地极接地电阻R为:



R=0.366(ρ/L)lg(4L/d)Ω 2



式中:ρ——土壤电阻率,Ω·m



L——接地极在地中的深度,m



d——接地极的直径,m



例如,黄土ρ取200Ω·mL2cmd0.05m,则垂直接地极接地电阻R80.67Ω。如在土壤中注入盐水,使ρ降为20Ω·m时,则接地极接地电阻R8.067Ω。



5 屏蔽地



5.1 电路的屏蔽罩接地



各种信号源和放大器等易受电磁辐射干扰的电路应设置屏蔽罩。由于信号电路与屏蔽罩之间存在寄生电容,因此要将信号电路地线末端与屏蔽罩相连,以消除寄生电容的影响,并将屏蔽罩接地,以消除共模干扰。



5.2 电缆的屏蔽层接地



5.2.1 低频电路电缆的屏蔽层接地



低频电路电缆的屏蔽层接地应采用一点接地的方式,而且屏蔽层接地点应当与电路的接地点一致。对于多层屏蔽电缆,每个屏蔽层应在一点接地,各屏蔽层应相互绝缘。



5.2.2 高频电路电缆的屏蔽层接地



高频电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式。当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时,采用工作信号波长的0.15倍的间隔多点接地式。如果不能实现,则至少将屏蔽层两端接地。



5.3 系统的屏蔽体接地



当整个系统需要抵抗外界电磁干扰,或需要防止系统对外界产生电磁干扰时,应将整个系统屏蔽起来,并将屏蔽体接到系统地上。



6 设备地



一台设备要实现设计要求,往往含有多种电路,比如低电平的信号电路(如高频电路、数字电路、模拟电路等)、高电平的功率电路(如供电电路、继电器电路等)。为了安装电路板和其它元器件、为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定机械强度和屏蔽效能的外壳。典型设备的接地如图1所示。



 



设备的接地应当注意以下几点:



 



——50Hz电源零线应接到安全接地螺栓处,对于独立的设备,安全接地螺栓设在设备金属外壳上,并有良好电连接;



 



——为防止机壳带电,危及人身安全,不许用电源零线作地线代替机壳地线;



 



——为防止高电压、大电流和强功率电路(如供电电路、继电器电路)对低电平电路(如高频电路、数字电路、模拟电路等)的干扰,将它们的接地分开。前者为功率地(强电地),后者为信号地(弱电地),而信号地又分为数字地和模拟地,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘;



 



——对于信号地线可另设一信号地螺栓(和设备外壳相绝缘),该信号地螺栓与安全接地螺栓的连接有三种方法(取决于接地的效果):一是不连接,而成为浮地式;二是直接连接,而成为单点接地式;三是通过一3μF电容器连接,而成为直流浮地式,交流接地式。其它的接地最后汇聚在安全接地螺栓上(该点应位于交流电源的进线处),然后通过接地线将接地极埋在土壤中。



 



7 系统地



 



当多个设备组成一个系统时,系统的接地如图2所示。



 



 



系统的接地应当注意以下几点:



 



——参照设备的接地注意事项;



 



——设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连;



 



——机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连;



 



——对于系统,安全接地螺栓设在系统金属外壳上,并有良好电连接;



 



——当系统内机柜、设备过多时,将导致数字地线、模拟地线、功率地线和机柜外壳地线过多。对此,可以考虑铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线,一条为信号地母线,一条为屏蔽地及机柜外壳地母线;系统内各信号地就近接到信号地母线上,系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上;两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓,屏蔽地及机柜外壳地母线接到安全接地螺栓上;信号地母线接到信号地螺栓上;



 



——当系统用三相电源供电时,由于各负载用电量和用电的不同时性,必然导致三相不平衡,造成三相电源中心点电位偏移,为此将电源零线接到安全接地螺栓上,迫使三相电源中心点电位保持零电位,从而防止三相电源中心点电位偏移所产生的干扰;



 



——接地极用镀锌钢管,其外直径不小于50mm,长度不小于2.0m;埋设时,将接地极打入地表层一定深度、并倒入盐水,一般要求接地电阻小于4Ω,对于移动设备,接地电阻可小于10Ω。



 



8 结语



 



为了设备和人身的安全以及电力电子设备正常可靠的工作必须研究接地技术。接地可直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上。不合理的接地反而会引入电磁干扰,导致电力电子设备工作不正常。因此,接地技术是电磁兼容中的重要技术之一,应当充分重视对接地技术的研究。

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