“接地”事实与谬误.pdf接地系统的一个问题是地这个术语本身地这个词很模糊对不同的人有不

文件名称: “接地”事实与谬误.pdf

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上传时间: 2019-10-31

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详细说明：接地系统的一个问题是地这个术语本身地这个词很模糊对不同的人有不同的含义对电路设计人员来说通常是指电路电压参考对于系统设计人员来说通常是指机箱或机架对于一个电工有是指绿线安全地或连到大地本身我们必须很明确否则只会更加混乱电源地通常应付几个安培的电流,但频率相对较低,如50-60壯当负载加电后,回流通道必须承载电流,安全地只有在出故障的时候承载电流。这些故障可能只有几亳秒的时间,也可能是持久性的, 取决于故障电流大小。电源地主要涉及维持低电阻和提供足够的电流能力这两个问题对于大多数电源地,并不要求有低的自感系数。雷电地提供一个可控的通道,通过它雷击电流可以抵达大地。有可能要和大地连接,因为连接是雷击电路的-部分.(除非你在飞机上,但这已超出了本书的范围,作者之一近来乘坐的飞机曾遭雷击, 我们可以确告你,这个电流是真实的而且很壮观雷击接地必须对付直至100,000A的电流,但只有几毫秒的时间。除非你设计直接和外部天线相连的通信设备,大多数人会看到电力线或电缆护套只有雷击浪涌。对于安装在室内的设备,经验数据表明这些瞬态浪涌电流不超过2000A上升沿1-10us,持续时间小于 100Us。即便如此,如果接地不良的话,这也足以毁坏你的设备雷击接地主要涉及保持低电阻和低自感,并提供足够的瞬态电流 P71能力。电路接地为信号和电源电流提供回流通道。电路地通常是地面地隔栅(grid〕或电路板上的接地端。我们通常为不同类型的电路提供独立的电路地,如模拟地和数字地。如果不同电路之间互相通信,你得把不同的地连到同一点上为接口信号提供回流通道〔模拟- 数字,数字-模拟〕。有时,你希望在不同的电路类型之间完全隔离地就如同电子下水道许多年以来,学习电子学者被教导对待电要象水流一样。记住,电压象水压,电流就象管道中的水流。但是一旦我们使用了这个必须的电流,我们就不再关心它,只是把它冲到象征的地中,是吗但是地电流并不会消失一空,它会通过任何可能的通道回流到源中。地通道就象个下水道,将电子输送到原处以便再循环,就象真正的排水系统一样。一个好的排水系统应该具备怎样的特征呢?首先主通道的阻力要低,否则整个周围会堵塞,引起大混乱。其次,你需要低阻力连接到主通道,否则你自己这边会大堵塞。第三,你可能需要为不同的需要提供不同的下水道。我们的确不希望厕所下水道和排水下水道混在一块,尤其是当排水下水道可能在街道堵塞。这些特点听起来也似乎是一个好多电子接地系统也应具备的特点:好的,紧凑的, 低阻抗的连接,或者可能是隔离的地,使数字和模拟回流电流分开,避免引起冋题。当你下次解决一个地问题的时候,好好想想这个问题,-你们就象电视节目蜜月中的 Ed Norton一样。如同Eα,你要知道下水道在哪里并且流到哪里去。再次指岀地就如下水道。地不象污水池,尽管一些人经常说把噪声倾倒在地里或其他类似的话。地电流处于运动之中,就象下水道中的污水这种情况下,不同电路之间用光耦或互感的方法进行信号耦合电路接地一般要应付到A量级的电流,频率从直流到K〔模拟)或№阽/((数字)。主要目标是通过任意接地通道限制压降。因为这个,电路地通常被视为等势面。不幸的是,你只能接近这个条件,确保零电压降的唯一办法是确保接地阻抗或者在接地回流中的零电流。这两个方面为我们指出了电路接地的两个关键策略:在一个宽频带范围内尽可能降低接地阻抗:将接地电流限制在预定的接地通道上。我们将在本章的后面部分看到,第一个策略一般属于数字技术, 而第二个策略一般属于模拟技术 EN地为EN电流提供—个可控的通道。EM地通常也满足其他需求,如回路,机壳甚至安全地。这里的关键是首先确定你希望EM 电流流到那里,然后选择或提供一个合适的通道。比如,如果考虑辐射问题,我们通常会试图在射频电流抵达电缆〔天线〕之前将它截获。我们希望射频电流回流到源电路。这样,连到电路地的接地滤波器组才会对辐射问题有意义。另一方面,如果考虑抗干扰性我们通常会阻止R(射频)或ESD电流影响较脆弱的电路,包括电路地。这样,连到外部机箱的滤波器组对抗干扰问题才更有意乂。正如我们前面所说的,接地接到哪里就如同你如何接地一样重要特别是对付EM电流的时候。 EM地一般处理从叭A到A量级的电流,频率从直流到微波频段。那么,一个关键问题是如何在非常宽的频段内保持较低的阻抗。不象电源地和安全地,并不特别要求EM地具有大电流能力。持续时间很短〔1-3纳秒的上升沿时间〕且具有大电流(1050A P1的静电放电是EM的一个特殊情况。在这种情况下,必须满足低阻抗和中等的电流承载能力这两个条件。记住,在1-3纳秒时间里,ESD的行为就象是在100300M的WF能量,这样就要求短的导线和低自感系数的垫片( strap)。还需要提高金属厚度,因为 SD的大电流密度会蒸发掉非常薄的金属覆层。有时候,我们会使用软的”或有电阻的地,以限制ESD的峰值电流水平。如果你曾做过无线电发射机或接收机,那你可能会听说过射频地这个词。通信天线通常依赖射频地或者“映象平面η以提供电流回流通道,并改善天线的辐射样式(图3)。例如,四分之一波垂直天线必须安装在一个低阻抗地平面上,因为地平面事实上提供了一半天线的镜象。除非射频地具有低阻抗, 否则射频能量会以热的形式而不是以电磁波辐射的形式散发。水平天线同样受到射频地的影响,但是在这种情况下,高度是一个关键的参数,并且对天线样式有很大影响,这就是为什么FCC和ME的辐射测试要在地面网格上进行,以及为什么在测试中天线要上下移射频地的重要性随着离开天线的距离的增加而减少。然而,大电流会在靠近天线的射频地流过。这样,你必须小心地控制靠近天线的阻抗。注意,射频和天线地并不需要连到大地才能起作用。垂直天线通常被用于汽车或飞机上,而不需要连到大地。然而,通常很谨慎提供连接大地的固定天线以用于雷电防护。现在应该清楚有着许多不同功能的不同类型的接地开式。经常, 个简单的地可达到几种目的(安全地,EM,雷击),而有时只有个目的。不同的地有不同的规则,所以将一种类型的地用到其他场合可能会引起意想不到的问题。最终,地可能会暗中提供通道, 使得电流经过几个通道回流到电源。点额外的建议:当你和同事讨论接地的时候,不要用地这个词, 因为它太模糊并会导致误解。我们建议你增加一个形容词(比如信号地,模拟地,框架地,或安全地〕以便更加精确地描述你所考虑的地接地关键问题我们已经讨论了为什么要接地的原因,现在讨论不同的接地问题,方法和布局接地阻抗简单地说,地必须要有低的阻抗,使沿着预定的通道的电压降最小,并防止电流取道非预想的通道。〔见框,“地就如电子下水道”) 但是,如何构造较低的地阻抗?象许多EM问题一样,低阻抗 P]2严重的依赖于频率〔图4)。对于低频,大规格的线缆或其他替代导体能提供较低的电阻。在10k左右,线缆的自感将成为问题, 自感电抗〔而不是电阻〕会限制电流。频率更高时,驻波效应也成为问题,两点之间的阻抗会在大范围内变动我们又一次看到分成了两种情况,小于10K低频和大于10K 的高频。这是一个关键问题;我们将会看到,这两种情况有着非常不同(甚至互为矛盾〕的规律。事实上,我们经常谈论的针对高频和低频优化地,也取决于我们寻求完成的目标。低频时,任何旧电线也能用于接地,只要能应付得了电流。高频时,你必须控制自感系数。固体金属平面有着很低的自感,所以他们经常被用于高频地。这些平面可以是电路板,机壳或者甚至是地面的—部分。事实上,我们在电路板中用地平面的一个原因是,降低处于高频时的自感系数和阻抗。这样的一个平面应该有多大?尽可能的宽,不小于接地通道长度的15。(我们实际上的参考比例为3:1。)平面上的电流分布是大部分电流位于表面上(图5)我们将同样的标准用于接地夹具(长宽比为3:1到5:1),它连接不同的地。扁平夹具本身不适于做地小的长宽比使然一个地平面不必是实心的。接地格栅也被广泛用于电路板的地和整个房间的地。在计算机设备中,这些格栅经常被视为信号参考格栅。为确定格栅的上限频率,我们的标准是波长的1/20作为格栅间距的最大值。根据这个标准,2英尺间距的信号参考格栅适于25M, 这足以应付计算机系统中的大多数尖峰信号和瞬态信号。1/4英寸的电线网格同样适用于2(,以及电路板上的110英寸交叉网格适用于6 地回路: 这是一个高速数字电路设计者不必经常考虑的问题。然而,这对低频模拟电路的设计者来说却是个非常重要的问题。对于系统设计人员,尤其是I/O和电源电路的设计人员,地回路是非常关键的你必须理解地回路,但不要心存恐。对于数字电路板,它们通常是无害的只要在两个电路之间有不止一个的导电地通道,地回路就存在着 (图6。地回路产生两个现在的问题。首先,回流电流可能经过多个通道。其次,不受欢迎的来自其他电路的回流电流可能会分享你的电路地地回路要产生问题,必须满足三个条件。第一,必须有公共的共享接地通道;第二,必须存在一个非预期的电路电源;第三,电路易被由有害电流产生的电压损坏。,正如前面我们提到的,你需要有电源、通道和接收器。你可以解决三个因素中的任何一个,从而解决问题。大多数地回路问题来自低频,并且通常与敏感的模拟电路有关,如音频电路和检测系统。系统地回路问题的一个经典例子是 P73音频系统的交流声,这是由于电源地电流流经音频系统的地并且调制音频信号造成的〔你的音响可曾碰到这个问题?)。典型的解决方法包括移动接地导线,或者提供一个专用的接地导体。这个问题是单点,星形或隔离地的基础,经常被吹捧为地回路问题的解决办法(我们将在本章的后面详细讨论不同地的布局) 独立的地在音频系统中工作得很好,在高频系统中却不行。事实上,它们甚至物理上不可实现。由于某种原因,导线和寄生电容会促使高频电流通过其他暗藏的通道(图刁)。对于髙频接地,通过降低地阻抗的减小地电压来得更加有效。比如,数字电路板可能会有上百个小的接地回路。在高频处,采用低的地平面阻抗就可控制问题我们还可通过断开回路来解决地回路问题。因为大多数地回路是无意的公共模式电路,在电路中某处设置公共模式高阻抗点,就可控制由非预期地电流引起的电压。图8给岀了这种高阻抗点的例子, 包括使信号地悬浮,光隔离,互感,以及公共模式扼流圈( choke (不要悬浮外部机壳,因为这会导致安全接地问题。) 警告:如果你将信号地悬浮,当你用示波观测信号地时〔相对于机壳测量)会使地显得“杂乱不堪(肮脏〕(drty)。这不是坏肖息,反而是好消息。这意味着大部分电压位于两个地(信号地和机壳地〕之间,并未越过一些内部电路。在听到有人提到通过将所有的东西连到一起从而解决所有肮脏的地,我们已经解决不少EM 问题。当我们转向单点地时,问题依然存在。正如我们了解的,单点地更适合丁低频电路和威胁〔 threats)。它们防止了地回路,并且很容易控制低频单点地电流。单点地在音频系统中最有效,从直流到1k,虽然你经常可将上限提高到 IN。因为自感和电容效应,我们不喜欢在1M以上使用单点接地对于更高的频率,多点地到地平面或格栅会更好。这里有两个秘轻。首先,提供—个低阻抗的参考平面。其次,提供一个到参考平面的低阻抗连接。我们使用多点地平面连接,以减少可能的共振条件。我们也喜欢使用具有短、扁接头的夹具〔长竞比为3:1),而不是导线。如果你必须使用导线,那么越短越好。一段一英寸的导线在100会有12欧姆的感应电抗,在500M,感应电抗超过60 欧姆。处于高频时,要保证地导线较短。当我们必须适应各种频率,我们经常使用混合接地。电容提供了高频连接,电感器提供了低频连接。图9给出了一些实例。我们已经将这些技术使用在电路板,I/O连接器,甚至在电力线滤波器。成功的关键在于了解频率和预期的接地电流方向。大地地和隔离地我们经常遇到这种情况,有人建议在靠近设备的地方放一根接地 10

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