EMC與地之重新認(rèn)識(shí)地

2016-12-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

轉(zhuǎn)自:文 | 周偉一博科技高速先生團(tuán)隊(duì)隊(duì)員

記得在Mark的培訓(xùn)中,他手上拿了一個(gè)無線鼠標(biāo),然后問了一個(gè)很有意思的問題:“這個(gè)無線鼠標(biāo)的地在哪里?同樣,我們的手機(jī)沒有和任何大地有接觸,那么這個(gè)地又在哪里呢?”這個(gè)問題確實(shí)很有意思,也確實(shí)讓人很難回答。對(duì)于這個(gè)問題,我們平時(shí)對(duì)于地的一些理解和印象好像全都崩塌了,到底什么是地呢?

這是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題,越是熟悉的事物反而越是難以去深入理解,比如“地”,在PCB設(shè)計(jì)中能真正弄清楚“地”的人并不多,如數(shù)字地、模擬地、信號(hào)地、機(jī)殼地、電源地、防雷地、共模地、安全地、參考地、大地、RF地、靜電地、防護(hù)地、單點(diǎn)地以及多點(diǎn)地等等,要把地的問題說清楚確實(shí)不容易,帶著這個(gè)問題,高速先生試著和大家一起也來重新認(rèn)識(shí)一下地,有些理解不對(duì)的也請(qǐng)大家指正。

“地”這個(gè)詞本身是模糊的而且不表達(dá)任何特定的電氣工程含義,對(duì)應(yīng)不同的人含義也不一樣。對(duì)應(yīng)邏輯工程師,“地”意味著邏輯電路及器件的參考電平;對(duì)于系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)工程師,“地”意味著金屬外殼或機(jī)架(殼);對(duì)于電工人員來說,“地”意味著符合國家電氣規(guī)程的安全連接的第三條線;對(duì)于飛行員來說“地”意味著當(dāng)不飛行時(shí)承載他們飛機(jī)的物體;對(duì)于農(nóng)民來說“地”是他們種莊稼的地方;對(duì)于無家可歸的流浪漢來說“地”是他們晚上睡覺的地方、、、、、、太多的“地”了,所以對(duì)于“地”的正確理解取決于你是誰,你所從事的行業(yè)以及你所問的人。

我們現(xiàn)在和大家討論的是PCB行業(yè)中的“地”,回到文章開始Mark的問題,手機(jī)或者無線鼠標(biāo)的“地”在哪里呢?如果我們不用“地”而用參考這個(gè)概念,那么這個(gè)問題就不攻自破了。所有以電壓電平為工作特性的電氣設(shè)備都需要有參考,也就是說電壓電平都是相對(duì)于這個(gè)參考來說的,而這個(gè)參考絕大多數(shù)情況下是0v,最后大家約定俗成的把這個(gè)0v參考叫成了“地”,事實(shí)上也沒有更貼切的其他叫法了,但是在我們的電氣產(chǎn)品里這個(gè)“地”其實(shí)很多時(shí)候是不存在的,比如我們前面說過的無線鼠標(biāo),手機(jī)等。

對(duì)于一個(gè)3.3V的數(shù)字信號(hào),這個(gè)3.3V電平就是相對(duì)于0v參考而言的,而我們的設(shè)計(jì)者就需要盡量保證這個(gè)參考電平足夠的穩(wěn)定,這樣我們的信號(hào)電平就不會(huì)隨著這個(gè)基準(zhǔn)電平而偏離,一旦偏離就會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)期的信號(hào)完整性問題以及額外的共模電流,這種電壓電平的波動(dòng)或偏離通常和“地彈”效應(yīng)相關(guān),事實(shí)上叫平面彈更合適點(diǎn),因?yàn)檫@種回彈通常會(huì)發(fā)生在電壓電平及參考電平上。

此外“地”的叫法對(duì)于RF信號(hào)來說也是比較讓人困惑的。當(dāng)RF電流參考回路在傳輸線上傳輸時(shí),是不需要通過電源或地來參考作為回流的,它可以通過自由空間或者任何金屬導(dǎo)體傳輸,這個(gè)時(shí)候就沒有所謂的“地”了。

對(duì)于一般的數(shù)字信號(hào),用參考的說法其實(shí)也是更準(zhǔn)確的,信號(hào)通過這個(gè)參考來達(dá)到回流的目的。關(guān)于回流,并不只有“地”才可以回流,實(shí)際上一切皆可回流,包括地、電源以及旁邊的信號(hào),只是需要考慮信號(hào)和回流之間構(gòu)成的電磁場(chǎng)是有益還是有害,我們后續(xù)會(huì)有更詳細(xì)的文章來解釋。而通常參考本身的不同這個(gè)“地”的叫法也不同,這就出現(xiàn)了我們前面說的各種地的叫法,如信號(hào)地,數(shù)字地,模擬地,電源地等等,所以“地”本身的叫法應(yīng)該在前面再加上一個(gè)形容詞,用來表示它的參考類型或者接地系統(tǒng),這樣看來其實(shí)“地”還是很復(fù)雜的。

在工程實(shí)踐中,我們經(jīng)常會(huì)被大家問到:數(shù)字地和模擬地是分割好還是不分割好?信號(hào)地和機(jī)殼地是用0歐姆電阻連接還是用磁珠、電容連接好?類似的關(guān)于不同地的問題一直以來都是大家比較迷惑的也是沒有權(quán)威肯定的答復(fù),就像“地”本身的多樣化一樣,取決于“地”本身的作用,三言兩語也說不清楚,所以在接下來我們會(huì)有專題來討論。

回到EMC培訓(xùn),Mark的觀點(diǎn)其實(shí)很清楚了,那就是地在PCB里是不存在的,它只是0v參考的符號(hào)象征。除非我們的設(shè)計(jì)或應(yīng)用在操作上需要區(qū)分?jǐn)?shù)字和模擬電路,且需要將兩者彼此分割,或者需要從0v參考地區(qū)分不同的功能區(qū)域如機(jī)殼和ESD地,而且就算在同一系統(tǒng)里使用不同的地,在系統(tǒng)的某個(gè)地方也需要將這幾種不同的地連接起來,并且需要EMC工程師來保障相關(guān)的連接是否可行。除此之外其他的設(shè)計(jì)都建議大家使用一個(gè)地的符號(hào)來表示0v參考。下圖是幾個(gè)常見地的表示符號(hào)及功能應(yīng)用解釋,注意數(shù)字和模擬地用的是回流來形容而不是地。

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