它很難被標(biāo)準(zhǔn)化,通???a target="_blank">工程師豐富的經(jīng)驗(yàn),而且這個(gè)經(jīng)驗(yàn)也許在這個(gè)系統(tǒng)上行的通,而在那個(gè)系統(tǒng)上行不通。
那為什么會(huì)有接地這一說呢?
1820年以前,長(zhǎng)距離的電磁電報(bào)系統(tǒng)都是用一根線來傳輸信號(hào),然后用另一根線來傳輸回流信號(hào)。
1836年左右,一位名字為Carl August Steinheil的德國科學(xué)家,發(fā)現(xiàn)大地可以用來代替?zhèn)鬏敾亓餍盘?hào)的另一根線。
因此,接地的第一個(gè)應(yīng)用是在電報(bào)中發(fā)展起來的。
后來,電力工程師為了降低布線成本,在SWER電氣配電系統(tǒng)中,用大地作為回流。 所謂SWER,是single-wire earth-return的縮寫。大概結(jié)構(gòu)如下。
在了解閃電現(xiàn)象后,接地又有了另一種功能,就是避免雷電和靜電排放產(chǎn)生的危險(xiǎn)。
閃電和靜電的電流回路也是大地,所以可以將電子設(shè)備與大地連接來接地,可以提供一條可控路徑,用來將電流傳導(dǎo)到大地。
慢慢地,接地就變?yōu)橐环N重要的設(shè)計(jì)需求。
20世紀(jì)信息時(shí)代,大規(guī)模分布式系統(tǒng)的開始普及,尤其是信息技術(shù)設(shè)備(ITE)網(wǎng)絡(luò),而這些網(wǎng)絡(luò)包括許多電路和子系統(tǒng)。
受到早期電報(bào)系統(tǒng)采用大地作為回路的啟發(fā),為了使分系統(tǒng)之間能夠可靠傳輸信號(hào),設(shè)計(jì)者們?cè)诜窒到y(tǒng)之間建立了一個(gè)大型的公共信號(hào)參考結(jié)構(gòu)作為參考地使用。
第二次世界大戰(zhàn)后,人造和自然的EMI源增多,接地逐漸地開始起著控制電磁干擾的作用。
電子工程師們認(rèn)為接地做好了,EMI問題也就隨之解決了。
接地的作用
從上述演變可以看到,剛開始,接地只是為了系統(tǒng)能正常工作;后來,接地又多了一個(gè)功能,就是避免雷電和靜電釋放帶來的危險(xiǎn),提供可控的電流釋放通路;再后來,發(fā)現(xiàn)接地能夠有助于控制EMI干擾。
如今,電子產(chǎn)品的安全仍然是系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)中的首要考慮。其次,則需要考慮系統(tǒng)的常規(guī)和EMI性能。
但是,也正是因?yàn)榻拥赜羞@么多作用,所以導(dǎo)致我們對(duì)接地操作很困惑。我們到底要怎么接地,才能符合各方面的要求呢。設(shè)計(jì)者們一直在尋找完美的接地方案,但是并沒有成功。
需要理解的接地的概念
1972年,加利福尼亞大學(xué)伯克利分校公開了SPICE,如今,SPICE已經(jīng)成為整個(gè)電子設(shè)計(jì)工業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)仿真工具,而SPICE使用"global ground"的概念。
有了“global ground”這個(gè)概念,電路中的其他節(jié)點(diǎn)具有明確的絕對(duì)電壓值,因此Kirchhoff電流定律(KCL)和Kirchhoff電壓定律(KVL)可以在仿真時(shí)實(shí)現(xiàn)。
在低頻電路中,"global ground"概念是OK的,因此,仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。
但是,這也會(huì)讓人有一種誤解,就是接地連接是不重要的,電壓可以在單根線上傳輸,而不需要回流路徑。
由于這種誤解,設(shè)計(jì)人員可能會(huì)著重關(guān)注信號(hào)和電源網(wǎng)絡(luò),而忽視地和回流。而這種忽視,是EMC、高速信號(hào)和電源完整性上產(chǎn)生問題的根本原因。
有時(shí)候進(jìn)行電路原理圖仿真時(shí),很容易給人一種錯(cuò)覺,就是接地是一種單向操作,所有的噪聲,干擾,只要接到地上,它們就隨著地消失了。 但其實(shí)接地是雙向的,當(dāng)電流流進(jìn)地時(shí),電流還會(huì)在其他地方從地中流出。 比如說,這個(gè)噪聲明明是在哪個(gè)地方產(chǎn)生的,但是卻在這里出現(xiàn)了。
Ampere's Law告訴我們,電流是一個(gè)環(huán)路,必須回到它來的地方。
和電流路徑概念相關(guān)的,還有一個(gè)誤解,就是覺得可以將電流按照不同的類型進(jìn)行隔離,使得電流只在被允許的路徑上流動(dòng)。
但是,電子真的會(huì)這么聽話么?
接地的阻抗
實(shí)際的接地系統(tǒng),接地連接點(diǎn)之間的阻抗非零,所以系統(tǒng)中的噪聲電流會(huì)在接地系統(tǒng)中引入噪聲電壓。比如說,閃電產(chǎn)生的電流,在非零阻抗的接地系統(tǒng)中,可能會(huì)產(chǎn)生幾千伏的電壓。
在考慮接地系統(tǒng)的性能時(shí),需要考慮的是其的阻抗,即包括電阻和電抗。
在低頻,電阻占主導(dǎo);但是在高頻,電抗占主導(dǎo)。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:接地,你覺得重要嗎?
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