安全地的主要作用是保障人身安全和設備的穩(wěn)定運行。在電氣設備中,當發(fā)生絕緣損壞等故障時,可能會使設備外殼帶電,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,由于大量的電氣設備同時運行,零線電流可能會較大,導致零線電壓出現(xiàn)波動,這種波動會通過電源線路傳導到其他設備中,對設備的正常工作產(chǎn)生干擾。因此,在開關電源設計中,交流地應與其他類型的地,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。在開關電源中,直流地是整個電源系統(tǒng)的重要基礎,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,可能導致負載設備無法正常工作。因此,確保直流地的穩(wěn)定和可靠連接是開關電源設計的關鍵之一。
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致數(shù)據(jù)傳輸錯誤,使處理器無法正常工作。因此,在設計數(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,存在觸電風險。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電源中,變壓器次級輸出部分的地就是冷地。冷地為負載設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到冷地一側(cè)。
功率地
功率地是大電流網(wǎng)絡器件、功率電子與磁性器件的零電位參考點。在開關電源中,功率地主要負責承載功率器件(如開關管、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和磁場感應。在開關電源中,由于存在各種電磁干擾源,如開關管的高頻開關動作、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到其他設備中,影響設備的正常工作。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,在一些通信設備的開關電源中,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。在一個復雜的開關電源系統(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到電路中。例如,在一些對電磁干擾非常敏感的醫(yī)療設備或測量儀器中,采用浮地方式可以提高設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干擾。而且,在某些情況下,如設備發(fā)生漏電等故障時,浮地電路可能會積累電荷,導致設備外殼帶電,存在安全隱患。因此,在實際應用中,需要根據(jù)具體情況謹慎選擇浮地方式,并采取相應的防護措施,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)點是多根導線并聯(lián)能夠降低接地導體的總電感,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,在開關電源的高頻開關部分,如開關管的散熱片、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,多點接地可能會導致設備內(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)生感應電流,引發(fā)地環(huán)路干擾。在不同的模塊、設備之間組網(wǎng)時,地線回路容易導致 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用,一般是在單點接地的基礎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,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。在開關電源的高頻變壓器、開關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。一些復雜的開關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)構與布局
開關電源的電路結(jié)構和布局也會影響接地方式的選擇。如果電路結(jié)構簡單,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,對于復雜的開關電源,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,在一些便攜式設備的開關電源中,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備,開關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。如果開關電源自身產(chǎn)生的電磁干擾對周邊設備有影響,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)療設備、通信設備等應用中,選擇合適的接地方式對于保障設備的正常運行至關重要。例如,在醫(yī)院的醫(yī)療設備中,由于周圍存在各種醫(yī)療電子設備產(chǎn)生的電磁干擾,開關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)療設備不受干擾,同時也不會對其他設備產(chǎn)生干擾,保證醫(yī)療設備的精準運行。
開關電源實際布線過程中關于 “地” 的考慮
總則
在開關電源實際布線過程中,首先要根據(jù)實際應用,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)取V挥忻鞔_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,避免噪聲對負載設備的影響。在布線過程中,要盡量縮短地線的長度,增大導線的寬度,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。