EMC與地之重新認識地

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隊隊員

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

這是一個現(xiàn)實的問題,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)計中能真正弄清楚“地”的人并不多,如數(shù)字地、模擬地、信號地、機殼地、電源地、防雷地、共模地、安全地、參考地、大地、RF地、靜電地、防護地、單點地以及多點地等等,要把地的問題說清楚確實不容易,帶著這個問題,高速先生試著和大家一起也來重新認識一下地,有些理解不對的也請大家指正。

“地”這個詞本身是模糊的而且不表達任何特定的電氣工程含義,對應不同的人含義也不一樣。對應邏輯工程師,“地”意味著邏輯電路及器件的參考電平;對于系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)工程師,“地”意味著金屬外殼或機架(殼);對于電工人員來說,“地”意味著符合國家電氣規(guī)程的安全連接的第三條線;對于飛行員來說“地”意味著當不飛行時承載他們飛機的物體;對于農(nóng)民來說“地”是他們種莊稼的地方;對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,手機或者無線鼠標的“地”在哪里呢?如果我們不用“地”而用參考這個概念,那么這個問題就不攻自破了。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于這個參考來說的,而這個參考絕大多數(shù)情況下是0v,最后大家約定俗成的把這個0v參考叫成了“地”,事實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“地”其實很多時候是不存在的,比如我們前面說過的無線鼠標,手機等。

對于一個3.3V的數(shù)字信號,這個3.3V電平就是相對于0v參考而言的,而我們的設(shè)計者就需要盡量保證這個參考電平足夠的穩(wěn)定,這樣我們的信號電平就不會隨著這個基準電平而偏離,一旦偏離就會出現(xiàn)不可預期的信號完整性問題以及額外的共模電流,這種電壓電平的波動或偏離通常和“地彈”效應相關(guān),事實上叫平面彈更合適點,因為這種回彈通常會發(fā)生在電壓電平及參考電平上。

此外“地”的叫法對于RF信號來說也是比較讓人困惑的。當RF電流參考回路在傳輸線上傳輸時,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體傳輸,這個時候就沒有所謂的“地”了。

對于一般的數(shù)字信號,用參考的說法其實也是更準確的,信號通過這個參考來達到回流的目的。關(guān)于回流,并不只有“地”才可以回流,實際上一切皆可回流,包括地、電源以及旁邊的信號,只是需要考慮信號和回流之間構(gòu)成的電磁場是有益還是有害,我們后續(xù)會有更詳細的文章來解釋。而通常參考本身的不同這個“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,如信號地,數(shù)字地,模擬地,電源地等等,所以“地”本身的叫法應該在前面再加上一個形容詞,用來表示它的參考類型或者接地系統(tǒng),這樣看來其實“地”還是很復雜的。

在工程實踐中,我們經(jīng)常會被大家問到:數(shù)字地和模擬地是分割好還是不分割好?信號地和機殼地是用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,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有專題來討論。

回到EMC培訓,Mark的觀點其實很清楚了,那就是地在PCB里是不存在的,它只是0v參考的符號象征。除非我們的設(shè)計或應用在操作上需要區(qū)分數(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)計都建議大家使用一個地的符號來表示0v參考。下圖是幾個常見地的表示符號及功能應用解釋,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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