1 綜述

接地是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地既能抑制干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外輻射干擾；反之錯誤的接地反而會引入嚴重的干擾，甚至使電子設(shè)備無法正常工作。

2 接地的概念

電子設(shè)備中的“地”通常有兩種含義：一種是“大地（地球零電位基準(zhǔn)），保護接地”，另一種是“系統(tǒng)地（電子系統(tǒng)零電位基準(zhǔn)），工作接地”。接地就是指在系統(tǒng)的某個選定點與某個電位基準(zhǔn)間建立低阻的導(dǎo)電通路。

“接大地”就是以地球的電位作為零電位基準(zhǔn)，把電子設(shè)備的金屬外殼、線路選定點等通過接地線、接地極等組成的接地裝置與大地相連接。

“系統(tǒng)地”是指信號回路的基準(zhǔn)導(dǎo)體（電子設(shè)備通常以金屬底座、機殼、屏蔽罩或粗銅線、銅帶作為基準(zhǔn)導(dǎo)體），并設(shè)該基準(zhǔn)導(dǎo)體電位為相對零電位，但不是大地零電位，簡稱為系統(tǒng)地。

接地的目的有兩個：

一是為了安全，稱為保護接地。電子設(shè)備的金屬外殼必須接大地，這樣可以避免因事故導(dǎo)致金屬外殼上出現(xiàn)過高對地電壓而危及操作人員和設(shè)備的安全。

二是為電流返回電源提供低阻抗通道。

3 接地的分類

實際上，各種地線都存在電氣上或是物理上的聯(lián)系，不一定有明確的劃分。在地系統(tǒng)中，有時一個地既承擔(dān)保護地，又承擔(dān)防雷地的作用；或既承擔(dān)工作地，又承擔(dān)保護地的作用。而不同功能的地連接，針對的電氣對象不同，其處理方式的側(cè)重點還會有所差異。

1. “真實大地”或保護接地(Protecting Earthing)

保護接地是為了保護設(shè)備、裝置、電路及人身的安全，防止雷擊、靜電損壞設(shè)備，或在設(shè)備故障情況下，保護人身安全。因此在設(shè)備、裝置、電路的底盤及金屬機殼一定要采取保護接地。

保護接地的原理是：當(dāng)發(fā)生漏電時，通過把帶故障電壓的設(shè)備外殼短路到大地或地線端(PE)（要求接地電阻小于4歐姆），電流經(jīng)過PE端向大地釋放電荷，保護過程中產(chǎn)生較大的短路電流使熔絲或空氣開關(guān)斷開，從而達到保護設(shè)備和人員安全的作用。因為人體電阻（幾百歐姆以上）遠大于接地電阻（4歐姆），所以流經(jīng)人體的電流很小，可以保護操作人員的安全。

注：行業(yè)規(guī)定，人體安全電壓不超過36V（持續(xù)接觸的安全電壓不超過24V，安全電流不超過10mA）。電擊對人體的危害程度，主要取決于通過人體電流的大小和通電時間長短。

2. “系統(tǒng)地”或“工作接地”或“信號接地”

工作地是單板、母板或系統(tǒng)之間信號的等電位參考點或參考平面，它給信號回流提供了低的阻抗通道。信號質(zhì)量很大程度上依賴于工作接地質(zhì)量的好壞。由于受接地材料特性和其他技術(shù)因素的影響，接地導(dǎo)體的連接或搭接無論做的如何好，總有一定的阻抗，信號的回流會在工作地線上產(chǎn)生電壓降，形成地紋波，對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響；信號越弱，信號頻率越高，這種影響就越嚴重。盡管如此，在設(shè)計和施工中最大限度地降低工作接地導(dǎo)體的阻抗仍然是非常重要的。

3. “工作接地”或“信號接地”的具體分類

圖 1 “地”的分類

“大地”，指地球的零電位基準(zhǔn)GND_EARTH。

“電源地”，一般等同于“數(shù)字地GND/GNDD/GND_DIGITAL”。

“數(shù)字地”，也叫“邏輯地”，是數(shù)字電路的零電位參考平面。

“模擬地”，指比較器、放大器、AD轉(zhuǎn)換器，及采樣保持器等的零電位參考平面；GNDA/GND_ANALOG。

注：區(qū)分“數(shù)字地”和“模擬地”的原因是，數(shù)字信號變化速度快，且信號的回流路徑（回路線）存在一定的阻抗，在地參考平面上引起的噪聲相對較大；模擬信號需要較為干凈的參考地來工作的，所以需要通過0R電阻或磁珠以單點接地的方式，將“模擬地”連接到“數(shù)字地”或“電源地”，防止“數(shù)字地”上的噪聲耦合到“模擬地”上。

4 接地的方式

電子設(shè)備的接地方式有接地、浮地、單點接地（包括串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地）、多點接地和混合接地。

浮地，屬于“工作接地（電路系統(tǒng)的零電位基準(zhǔn)）”與“保護接地（真實大地）”之間的連接方式，指“電路系統(tǒng)地”與“大地”之間無連接。

接地，特指電路系統(tǒng)的“工作接地（零電位基準(zhǔn)）”與“保護接地（真實大地，地球零電位基準(zhǔn)）”之間有連接。實際應(yīng)用時，常將“工作接地”連接到PCB的安裝孔與機殼連接，機殼再與“保護接地”連接。

單點接地、多點接地和混合接地，屬于電路系統(tǒng)“工作接地”內(nèi)部各“地”（如“模擬地”，“數(shù)字地”等）之間的連接方式。

4.1 “工作接地（電路系統(tǒng)的零點位參考）”與“保護接地（真實大地）”的連接方式

“工作接地”與“保護接地”之間的連接方式有浮地(一)、浮地(二)、直接接地、屏蔽接地，以及通過高阻和安規(guī)電容接地，以下具體闡述各接地的方法及優(yōu)點。

(1)浮地(一)，電路系統(tǒng)的地參考平面與機殼無連接，且機殼與真實大地（保護接地）無連接。

此時的電路系統(tǒng)參考地平面可稱為“浮地”（從廣義上講，“浮地”也可以稱為“虛地”，因為未連接“大地”，卻與“大地”等電位）。

區(qū)別：狹義的“虛地”，指未連接參考地平面，卻與參考地平面等電位的點。

圖 2 浮地(一)

(2)浮地(二)，電路系統(tǒng)的地參考平面與機殼直接連接，但機殼與真實大地（保護接地）無連接。

圖 3 浮地(二)

(3)直接接地，電路系統(tǒng)的地參考平面與機殼直接連接，且機殼與真實大地（保護接地）直接連接。

優(yōu)點：可以將機殼上積累的靜電電荷泄放到“大地”，避免電荷過多積累導(dǎo)致設(shè)備工作不穩(wěn)定。

圖 4 直接接地

(4)屏蔽接地，電路系統(tǒng)的地參考平面與機殼無連接，但機殼與真實大地（保護接地）有連接。

優(yōu)點：金屬機殼構(gòu)成屏蔽罩，該連接方式可以減少電子電路受外界電磁輻射的干擾?？梢詫C殼上積累的靜電電荷泄放到“大地”，避免電荷過多積累導(dǎo)致設(shè)備工作不穩(wěn)定。

圖 5 屏蔽接地

(5)通過高阻和安規(guī)電容接地，電路系統(tǒng)的地參考平面通過1000pF/2kV安規(guī)電容并聯(lián)2M歐姆電阻與機殼連接，且機殼與真實大地有連接。

這里2M電阻有兩個作用：

①用于電路系統(tǒng)靜電測試后的電荷釋放；

②將電路系統(tǒng)零電位基準(zhǔn)上的電荷泄放到地球零電位基準(zhǔn)。

優(yōu)點：

(1)預(yù)留用于電路系統(tǒng)靜電測試后的電荷釋放；

(2)將電路系統(tǒng)零電位基準(zhǔn)上的電荷泄放到地球零電位基準(zhǔn)（？？）；

(3)由于機殼與大地PE的直連相對于機殼與電路系統(tǒng)之間2M電阻連接屬于低阻，當(dāng)帶靜電的人體接觸機殼時，可以通過該低阻通道將靜電電荷泄放到大地。

(4)機殼構(gòu)成屏蔽罩，兼具屏蔽接地方式的優(yōu)點。

最好是，電路主板上所有對外的接口都用該“通過高阻和安規(guī)電容接地”的方式與大地PE連接；好處是，當(dāng)帶靜電的人體插拔各接口時，靜電脈沖可以通過接口到大地之間的低阻通道泄放電荷，可以避免靜電脈沖對接口芯片的損壞。

圖 6 通過高阻和安規(guī)電容接地

4.2 “工作接地”內(nèi)部各“地”的連接方式

(1)單點接地，指整個電路系統(tǒng)中，只有一個物理點被定義為零電位參考點（地參考點），其他需要接地的點，都連接到該點上，沒有“地參考平面”的概念。集總參數(shù)電路（低速電路，布局布線對信號的影響可以忽略）中主要使用單點接地的方式。

另外，單點接地也指將隔離的模擬地通過0R電阻或磁珠連接到數(shù)字地或電源地。

(2)多點接地，指電路系統(tǒng)中的“數(shù)字地”“模擬地”“功率地”等分開，都通過0歐姆電阻或磁珠匯總到最近的零電位參考平面（即地參考平面或電源地）上。分布參數(shù)電路（高速電路，寄生電容和寄生電感對信號的影響無法忽略）中主要使用多點接地。

(3)混合接地，就是單點接地和多點接地的混合。

5 設(shè)備接地的好處

注：此處“設(shè)備接地”中的“接地”，同樣特指電路系統(tǒng)零電位基準(zhǔn)與“大地”連接。

在工程實踐中，除認真考慮電路內(nèi)部各“地”的連接方式外，通常將電路系統(tǒng)（對外接口，如串口、網(wǎng)口、USB、HDMI等）通過1M或2M電阻并聯(lián)1000pF/2kV電容與設(shè)備外殼連接，再與“大地”連接。該連接方式總結(jié)下來有以下幾點好處：

(1)保護接地，將設(shè)備正常運行時不帶電的金屬外殼與“大地”連接，防止設(shè)備故障時外殼帶電，保護操作人員的安全。前提是，電源入口處有過流保護熔斷保險絲或自恢復(fù)保險絲，設(shè)備故障電流過大時，主板電源被切斷，同時與“大地”相連的低阻通道將電容上存儲的能量泄放掉。

(2)防靜電接地，將設(shè)備外殼上積累的靜電電荷泄放到“大地”，避免電荷過多積累導(dǎo)致設(shè)備工作不穩(wěn)定。

(3)屏蔽地，由于金屬機殼構(gòu)成屏蔽罩的效果，所以可以減小設(shè)備在外界電磁干擾下電路系統(tǒng)地相對“大地”零電位基準(zhǔn)發(fā)生變化而導(dǎo)致的設(shè)備工作不穩(wěn)定。

(4)靜電測試預(yù)留，當(dāng)電路主板需要做靜電測試時，2M電阻可以將測試后主板上的靜電電荷泄放到“大地”，而不是在主板上逐漸積累。

所以，綜上所述，在電子系統(tǒng)中，“通過高阻和安規(guī)電容接地”的方式最優(yōu)，具有較多的工程應(yīng)用。

注：電子設(shè)備之間的連接，即使是RS422、RS485和CAN等接口傳輸差分信號，也盡量共地，以避免接口兩端的地參考平面存在電位差。