安全地的主要作用是保障人身安全和設(shè)備的穩(wěn)定運行。在電氣設(shè)備中，當發(fā)生絕緣損壞等故障時，可能會使設(shè)備外殼帶電，若沒有安全接地，人體一旦接觸到帶電外殼，就會發(fā)生觸電事故。通過將設(shè)備外殼與大地進行可靠連接，當出現(xiàn)故障電流時，電流能夠迅速通過接地導(dǎo)線流入大地，因為大地的電位被視為零電位，且接地電阻通常很小，根據(jù)歐姆定律，這樣就可以保證設(shè)備外殼的電位接近大地電位，從而避免人體觸電。例如，在家庭用電中，三孔插座的最上方插孔就是連接安全地的，所有使用三腳插頭的電器，其金屬外殼都通過插頭與安全地相連，為用戶提供了基本的安全保障。

交流地

交流地通常指的是交流電的零線。在電力系統(tǒng)中，零線是三相四線制或三相五線制中的重要組成部分。它的作用是為交流電提供回路，使得電流能夠在電源和負載之間形成完整的通路。然而，交流地并非理想的零電位，在實際運行中，由于線路阻抗等因素的影響，零線上會存在一定的電流和電壓波動，這就可能會產(chǎn)生噪聲。例如，在一些大型工廠的供電系統(tǒng)中，由于大量的電氣設(shè)備同時運行，零線電流可能會較大，導(dǎo)致零線電壓出現(xiàn)波動，這種波動會通過電源線路傳導(dǎo)到其他設(shè)備中，對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生干擾。因此，在開關(guān)電源設(shè)計中，交流地應(yīng)與其他類型的地，特別是安全地和信號地，進行嚴格區(qū)分，以避免噪聲的引入。

直流地

直流地是直流電路的零電位參考點，它為直流電路中的各種信號和功率傳輸提供了基準。在開關(guān)電源中，直流地是整個電源系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，它的穩(wěn)定性直接影響到電源輸出的穩(wěn)定性和可靠性。例如，在一個直流穩(wěn)壓電源中，所有的電壓調(diào)節(jié)和控制電路都以直流地為參考，通過對輸入電壓與直流地之間的電位差進行調(diào)整和控制，來實現(xiàn)穩(wěn)定的直流電壓輸出。如果直流地受到干擾或電位發(fā)生波動，那么電源輸出的直流電壓也會隨之波動，可能導(dǎo)致負載設(shè)備無法正常工作。因此，確保直流地的穩(wěn)定和可靠連接是開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵之一。

模擬地

模擬地是模擬電路零電位的公共基準地線。模擬電路通常處理連續(xù)變化的信號，如音頻信號、視頻信號等，這些信號的幅度和頻率都在不斷變化。模擬地的質(zhì)量對模擬信號的處理精度和抗干擾能力有著至關(guān)重要的影響。由于模擬電路既承擔小信號的處理，又承擔大信號的功率處理，而且既有低頻信號的處理，又有高頻信號的處理，模擬量在能量、頻率、時間等方面都存在很大的差別，因此模擬電路既容易受到外界干擾，又可能對其他電路產(chǎn)生干擾。例如，在音頻放大器電路中，如果模擬地的布線不合理，外界的電磁干擾就可能通過模擬地耦合到音頻信號中，導(dǎo)致音頻輸出出現(xiàn)噪聲。為了減小模擬地的干擾，在 PCB 布線時，模擬地應(yīng)盡量與數(shù)字地分開，并且要選擇合適的接地點，通過短而粗的導(dǎo)線進行連接，以降低地線的阻抗。

數(shù)字地

數(shù)字地也稱為邏輯地，是數(shù)字電路各種開關(guān)量(數(shù)字量)信號的零電位。數(shù)字電路主要處理離散的二進制信號，其工作狀態(tài)通常只有高電平和低電平兩種。雖然數(shù)字電路對信號的抗干擾能力相對較強，但在高速數(shù)字電路中，數(shù)字地的處理同樣非常重要。因為在高速數(shù)字信號傳輸過程中，信號的變化速度非?？?，會產(chǎn)生較大的電流變化率(di/dt)，如果數(shù)字地的布線不合理，就會產(chǎn)生較大的地電感和地電阻，從而導(dǎo)致地電位的波動，這種波動可能會影響數(shù)字信號的正確傳輸，引發(fā)邏輯錯誤。例如，在一個高速微處理器的電路中，數(shù)字地的不合理布線可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤，使處理器無法正常工作。因此，在設(shè)計數(shù)字電路的接地時，需要考慮到信號的頻率和傳輸速度，采用合適的接地方式，如多點接地或多層 PCB 板的專用接地層，以降低地阻抗，保證數(shù)字信號的可靠傳輸。

熱地與冷地

在開關(guān)電源中，熱地和冷地是兩個重要的概念。熱地是指變壓器初級地，它與電網(wǎng)不隔離，處于帶電狀態(tài)。例如，在一些沒有經(jīng)過隔離變壓器的簡單開關(guān)電源中，直接與市電連接的部分的地就是熱地。由于熱地與市電直接相連，其電位與市電的相線電位相關(guān)，存在觸電風(fēng)險。而冷地是指變壓器次級地，它通過高頻變壓器與電網(wǎng)隔離，不帶電。在經(jīng)過隔離變壓器的開關(guān)電源中，變壓器次級輸出部分的地就是冷地。冷地為負載設(shè)備提供了一個相對安全的接地參考點，即使人體接觸到冷地，也不會有觸電危險。熱地和冷地的隔離對于保障人身安全和設(shè)備的正常運行非常重要，通常會采用光耦等隔離器件來實現(xiàn)熱地和冷地之間的信號傳輸，同時避免電氣連接，防止熱地的危險電壓傳導(dǎo)到冷地一側(cè)。

功率地

功率地是大電流網(wǎng)絡(luò)器件、功率電子與磁性器件的零電位參考點。在開關(guān)電源中，功率地主要負責承載功率器件(如開關(guān)管、整流二極管等)和磁性元件(如變壓器、電感等)的大電流。由于功率地中流過的電流較大，如果處理不當，就會產(chǎn)生很大的干擾。例如，功率地線上的電流變化會產(chǎn)生較強的磁場，這個磁場可能會耦合到周圍的電路中，影響其他電路的正常工作。而且，功率地線上的電阻和電感會導(dǎo)致較大的電壓降，這不僅會降低電源的效率，還可能使功率器件的工作條件惡化。因此，在開關(guān)電源布線中，功率地需要單獨走線，并且要盡量縮短走線長度，增大導(dǎo)線寬度，以降低地線的阻抗，減少干擾的產(chǎn)生。

信號地

信號地一般指傳感變化信號的地線，它為各種傳感器和信號處理電路提供零電位參考。信號地的穩(wěn)定性對于準確傳輸和處理傳感信號至關(guān)重要。例如，在溫度傳感器電路中，信號地的電位波動可能會導(dǎo)致傳感器輸出的溫度信號出現(xiàn)誤差，影響溫度測量的準確性。在設(shè)計信號地時，需要根據(jù)信號的特點和傳輸距離，選擇合適的接地方式。對于低頻、小信號的傳輸，通常采用單點接地方式，以減少地回路之間的相互干擾;對于高頻信號的傳輸，則可能需要采用多點接地或混合接地方式，以降低接地阻抗，保證信號的完整性。

屏蔽地

屏蔽地主要為互聯(lián)的電纜與主要機架提供 0V 參考或電磁屏蔽，其目的是防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)。在開關(guān)電源中，由于存在各種電磁干擾源，如開關(guān)管的高頻開關(guān)動作、變壓器的磁場變化等，這些干擾可能會通過電纜和機架傳導(dǎo)到其他設(shè)備中，影響設(shè)備的正常工作。通過將電纜的屏蔽層和機架連接到屏蔽地，可以將干擾信號引入大地，從而減少干擾的傳播。例如，在一些通信設(shè)備的開關(guān)電源中，為了防止電源產(chǎn)生的電磁干擾影響通信信號的傳輸，會將通信電纜的屏蔽層可靠地連接到屏蔽地。同時，屏蔽地的良好接地也有助于提高設(shè)備的抗干擾能力，保護內(nèi)部電路免受外界電磁干擾的影響。

系統(tǒng)地

系統(tǒng)地是整個系統(tǒng)模擬、數(shù)字信號公共參考點，它將系統(tǒng)中各個部分的模擬地和數(shù)字地連接在一起，為整個系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的零電位基準。在一個復(fù)雜的開關(guān)電源系統(tǒng)中，可能包含多個功能模塊，如控制模塊、功率變換模塊、濾波模塊等，每個模塊都有自己的模擬地和數(shù)字地。通過將這些模塊的地連接到系統(tǒng)地，可以確保各個模塊之間的電位一致性，減少模塊之間的干擾。例如，在一個工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的開關(guān)電源中，控制模塊的數(shù)字地和功率變換模塊的模擬地都連接到系統(tǒng)地，這樣可以保證控制信號和功率信號之間的穩(wěn)定傳輸，提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。然而，在連接系統(tǒng)地時，需要注意合理規(guī)劃接地路徑，避免出現(xiàn)地環(huán)路和共阻抗干擾等問題。

浮地

浮地是將電路中某條支路作為 0V 參考而不接地的一種接地方式。浮地的優(yōu)點是該電路不受大地電性能的影響，能夠在一定程度上避免外界電磁干擾通過大地傳導(dǎo)到電路中。例如，在一些對電磁干擾非常敏感的醫(yī)療設(shè)備或測量儀器中，采用浮地方式可以提高設(shè)備的測量精度和抗干擾能力。然而，浮地也存在一些缺點，由于該電路與大地之間沒有直接的電氣連接，容易受到寄生電容的影響，使電路的地電位發(fā)生變動，增加對模擬電路的感應(yīng)干擾。而且，在某些情況下，如設(shè)備發(fā)生漏電等故障時，浮地電路可能會積累電荷，導(dǎo)致設(shè)備外殼帶電，存在安全隱患。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況謹慎選擇浮地方式，并采取相應(yīng)的防護措施，如增加漏電保護裝置等。

接地方式及其特點

單點接地

串聯(lián)單點接地

串聯(lián)單點接地是指所有的器件的地都連接到地總線上，然后通過總線連接到地匯接點。這種接地方式的優(yōu)點是分布傳輸?shù)淖杩箻O小，布線相對簡單、美觀。然而，它存在著明顯的缺點，由于所有器件共用一條接地總線，當電流流過不同的器件時，會在總線上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致各器件之間出現(xiàn)電位差，從而產(chǎn)生相互的共阻抗干擾。例如，在一個包含功率器件和小信號處理器件的電路中，功率器件的大電流會在接地總線上產(chǎn)生較大的電壓降，這個電壓降會疊加到小信號處理器件的地電位上，影響小信號的處理精度。此外，串聯(lián)單點接地不適合于高頻電路(f≥1MHz)，因為在高頻情況下，地線的電感會變得不可忽視，過長的接地總線會產(chǎn)生較大的電感，導(dǎo)致接地阻抗增加，影響接地效果。同時，它也不適合于多個功率回路電路，因為不同功率回路的電流相互影響，會加劇共阻抗干擾的問題。由于對地分布電容的影響，串聯(lián)單點接地還可能會產(chǎn)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象，大大增加地線的阻抗，進一步影響電路的正常工作。

并聯(lián)單點接地

并聯(lián)單點接地是指所有的器件的地直接接到地匯接點，不共用地總線。這種接地方式的優(yōu)點是可以有效防止系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間的共阻抗干擾，因為每個器件都有獨立的接地路徑，不會受到其他器件電流變化的影響。在一些對干擾敏感的電路，如精密測量儀器的信號處理電路中，并聯(lián)單點接地能夠保證信號的準確性和穩(wěn)定性。然而，并聯(lián)單點接地也存在一些不足之處。它同樣不適合于高頻電路(f≥1MHz)，因為在高頻情況下，每個器件的接地引線都會產(chǎn)生電感，盡管接地引線較短，但多個電感的并聯(lián)可能會導(dǎo)致在某些頻率下出現(xiàn)并聯(lián)諧振現(xiàn)象，增加接地阻抗。而且，由于各自的地線較長，地回路阻抗不同，會加劇地噪聲的影響，引起 RF(射頻)問題。此外，并聯(lián)單點接地需要較多的布線空間，在空間有限的電路板設(shè)計中可能不太適用。

多點接地

多點接地是指系統(tǒng)內(nèi)各部分電路就近接地，即每個需要接地的部分都直接連接到最近的接地平面或接地母線。這種接地方式的優(yōu)點是多根導(dǎo)線并聯(lián)能夠降低接地導(dǎo)體的總電感，從而能夠提供較低的接地阻抗。在高頻電路中，由于信號的波長較短，接地引線的電感對信號的影響較大，多點接地通過縮短接地路徑，能夠顯著降低電感的影響，快速將高頻電流引入大地，減少電磁輻射。例如，在開關(guān)電源的高頻開關(guān)部分，如開關(guān)管的散熱片、高頻變壓器的屏蔽層等，采用多點接地可以有效地將高頻電流泄放到地，提高電源的 EMC(電磁兼容性)性能。然而，多點接地也存在一些缺點。由于每根接地線的長度小于信號波長的 1/20 時才能有效降低接地阻抗，這就要求在布線時需要非常精確地控制接地線的長度。而且，多點接地可能會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部形成許多接地環(huán)路，當有交變磁場穿過這些環(huán)路時，會產(chǎn)生感應(yīng)電流，引發(fā)地環(huán)路干擾。在不同的模塊、設(shè)備之間組網(wǎng)時，地線回路容易導(dǎo)致 EMI(電磁干擾)問題，影響整個系統(tǒng)的正常工作。

混合接地

混合接地結(jié)合了單點接地和多點接地的綜合應(yīng)用，一般是在單點接地的基礎(chǔ)上再通過一些電感或電容多點接地。它是利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線系統(tǒng)在不同的頻率下具有不同的接地結(jié)構(gòu)，主要適用于工作在混合頻率下的電路系統(tǒng)。在一個包含低頻模擬電路和高頻數(shù)字電路的開關(guān)電源中，對于低頻模擬電路部分，由于其對干擾較為敏感，采用單點接地方式可以避免地環(huán)路干擾，保證模擬信號的穩(wěn)定性;對于高頻數(shù)字電路部分，采用多點接地方式，通過電感或電容將高頻數(shù)字電路的地連接到接地平面，能夠降低接地阻抗，滿足高頻信號的快速接地需求。在采用混合接地時，要特別注意分清楚模擬電路的地與數(shù)字電路的地，以及它們的最佳公共連接點。如果連接不當，可能會導(dǎo)致低頻部分受到高頻干擾，或者高頻部分的接地效果不佳，影響整個電路系統(tǒng)的性能。

接地選取的原則

基于電路工作頻率

電路工作頻率是選擇接地方式的重要依據(jù)。以最高頻率(對應(yīng)波長為 λ)為考慮對象，當傳輸線的長度 L>λ，則視為高頻電路，反之，則視為低頻電路。一般來說，低頻電路 (<1MHz)，建議采用單點接地。這是因為在低頻情況下，信號的波長較長，接地引線的電感對信號的影響較小，而單點接地可以有效避免地環(huán)路干擾，保證電路的穩(wěn)定性。例如，在一些音頻功率放大器電路中，其工作頻率通常在幾十 kHz 到幾十 MHz 之間，屬于低頻電路范疇，采用單點接地方式能夠很好地滿足其對干擾抑制的要求。當電路工作頻率進入高頻段 (>10MHz)，多點接地更為合適。由于高頻信號的波長較短，接地引線的電感會對信號產(chǎn)生較大的阻礙，導(dǎo)致接地阻抗增大，多點接地通過縮短接地路徑，降低了電感的影響，能夠快速將高頻電流引入大地，減少電磁輻射。在開關(guān)電源的高頻變壓器、開關(guān)管等高頻工作部件的接地中，多點接地能有效提高電源的 EMC 性能。對于工作頻率在 1MHz 至 10MHz 之間的電路，混合接地可以綜合考慮單點接地和多點接地的優(yōu)點，根據(jù)具體情況進行選擇。一些復(fù)雜的開關(guān)電源可能包含多個不同頻率的功能模塊，此時混合接地能夠更好地滿足各模塊的接地需求。

結(jié)合電路結(jié)構(gòu)與布局

開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)和布局也會影響接地方式的選擇。如果電路結(jié)構(gòu)簡單，模塊之間的相互干擾較小，單點接地可能就足以滿足要求。在一些小型的、功能單一的開關(guān)電源中，采用單點接地方式，布線簡單，易于實現(xiàn)。然而，對于復(fù)雜的開關(guān)電源，包含多個功能模塊，如功率變換模塊、控制模塊、濾波模塊等，且各模塊之間可能存在相互干擾的情況，就需要更復(fù)雜的接地方式。在這種情況下，混合接地可以根據(jù)不同模塊的特點和需求，分別采用單點接地和多點接地，減少模塊之間的干擾。如果開關(guān)電源的布局空間有限，無法為每個接地節(jié)點提供獨立的接地路徑，那么多點接地可能會因為需要較多的布線空間而不太適用，此時單點接地或經(jīng)過優(yōu)化的混合接地方式可能更為合適。例如，在一些便攜式設(shè)備的開關(guān)電源中，由于電路板空間有限，采用單點接地并結(jié)合合理的濾波措施，可以在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)較好的接地效果，滿足設(shè)備對電源小型化和穩(wěn)定性的要求。

考慮電磁干擾環(huán)境

電磁干擾環(huán)境是選擇接地方式時必須考慮的因素。在電磁干擾較強的環(huán)境中，如工業(yè)現(xiàn)場，存在大量的電磁輻射源和電氣設(shè)備，開關(guān)電源需要采取有效的接地措施來抵御干擾。多點接地和混合接地在這種環(huán)境下具有優(yōu)勢，因為它們能夠更好地降低接地阻抗，快速將干擾電流引入大地，減少干擾對電源的影響。如果開關(guān)電源自身產(chǎn)生的電磁干擾對周邊設(shè)備有影響，也需要通過合適的接地方式來抑制干擾的傳播。采用良好的接地屏蔽措施，結(jié)合合理的接地方式，如多點接地或混合接地，能夠有效減少開關(guān)電源的電磁輻射，提高其 EMC 性能。在一些對電磁兼容性要求極高的醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備等應(yīng)用中，選擇合適的接地方式對于保障設(shè)備的正常運行至關(guān)重要。例如，在醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備中，由于周圍存在各種醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，開關(guān)電源采用混合接地方式，并配合完善的屏蔽措施，可以確保醫(yī)療設(shè)備不受干擾，同時也不會對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，保證醫(yī)療設(shè)備的精準運行。

開關(guān)電源實際布線過程中關(guān)于 “地” 的考慮

總則

在開關(guān)電源實際布線過程中，首先要根據(jù)實際應(yīng)用，仔細分清楚地線的種類。不同種類的地線具有不同的特點和作用，例如功率地主要承載大電流，模擬地對信號精度要求高，數(shù)字地則側(cè)重于數(shù)字信號的傳輸?shù)?。只有明確了地線的種類，才能選擇合適的接地方式。不論采用何種接地方式，都必須始終遵守 “低阻抗，低噪聲” 的原則。低阻抗的地線能夠確保電流能夠順利地流入大地，減少電壓降和電磁干擾的產(chǎn)生;低噪聲則是保證電源輸出的穩(wěn)定性和可靠性，避免噪聲對負載設(shè)備的影響。在布線過程中，要盡量縮短地線的長度，增大導(dǎo)線的寬度，避免出現(xiàn)尖銳的拐角和過長的平行走線，以降低地線的阻抗和電感，減少電磁輻射。