【是不是干貨，你說(shuō)了算】EMC與地之重新認(rèn)識(shí)地

edadoc · 發(fā)表于 2016-7-28 21:32:37

有段時(shí)間沒(méi)來(lái)論壇了。今天來(lái)跟大家分享一篇干貨。當(dāng)然是不是干貨，你們說(shuō)了算。希望這篇文章能發(fā)出去之后，能收到大家的反饋。

記得在Mark的培訓(xùn)中，他手上拿了一個(gè)無(wú)線鼠標(biāo)，然后問(wèn)了一個(gè)很有意思的問(wèn)題：“這個(gè)無(wú)線鼠標(biāo)的地在哪里？同樣，我們的手機(jī)沒(méi)有和任何大地有接觸，那么這個(gè)地又在哪里呢？”這個(gè)問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題說(shuō)清楚確實(shí)不容易，帶著這個(gè)問(wèn)題，高速先生試著和大家一起也來(lái)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(lái)說(shuō)，“地”意味著符合國(guó)家電氣規(guī)程的安全連接的第三條線；對(duì)于飛行員來(lái)說(shuō)“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(lái)說(shuō)“地”是他們種莊稼的地方；對(duì)于無(wú)家可歸的流浪漢來(lái)說(shuō)“地”是他們晚上睡覺(jué)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(shuí)，你所從事的行業(yè)以及你所問(wèn)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(kāi)始Mark的問(wèn)題，手機(jī)或者無(wú)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(wèn)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(shuō)電壓電平都是相對(duì)于這個(gè)參考來(lái)說(shuō)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(méi)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(shuō)過(guò)的無(wú)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(wèn)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(lái)說(shuō)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(guò)電源或地來(lái)參考作為回流的，它可以通過(guò)自由空間或者任何金屬導(dǎo)體傳輸，這個(gè)時(shí)候就沒(méi)有所謂的“地”了。
對(duì)于一般的數(shù)字信號(hào)，用參考的說(shuō)法其實(shí)也是更準(zhǔn)確的，信號(hào)通過(guò)這個(gè)參考來(lái)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(lái)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(shuō)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(lái)表示它的參考類型或者接地系統(tǒng)，這樣看來(lái)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(wèn)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(wèn)題一直以來(lái)都是大家比較迷惑的也是沒(méi)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(yǔ)也說(shuō)不清楚，所以在接下來(lái)我們會(huì)有專題來(lái)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(lái)，并且需要EMC工程師來(lái)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(lái)表示0v參考。下圖是幾個(gè)常見(jiàn)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(lái)形容而不是地。

總而言之，除了一些特定的產(chǎn)品，在PCB中我們需要關(guān)注的并不是“地”而是參考或者回流。