电路设计师指导手册：接地与布线

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1.1 接地
任何电子或电气电路都有一个基本属性，即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点，这个公共点习惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动，在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。
这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点，此时这个点被称为0V(零伏)轨，而地和0V通常是同义词(有些令人困惑)。这样，当我们谈到5V电源或-12V电源或2.5V参考电压时，这些电压的参考点都是0V轨。
而实际地并不等同于0V。基于安全的原因，需要用地线将设备连接到大地，在正常工作中地线是不承载电流的。然而，本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的，包括安全地以及信号与电源返回路径。
电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然认为是一样的。事实上，在一个工作电路中只有一个点是真正的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛 盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感，欧姆定律告诉我们，在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。
一个工作中的电路将在指定为0V轨的这些导体中形成电流流动，因此如果轨的任何一点处于真正的0V(比方电源连线)，那么轨的其它部分将不等于0V。这种情况可以用图1.1中的例子来解释。

图1.1 0V轨沿线的电压。
假设0V导体具有10mΩ/英寸的电阻，A、B、C和D点分别间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是：
VC = (I1 + I2 + I3) × 10 mΩ = 400 μV
VB = VC + (I1 + I2) × 10mΩ = 700 μV
VA = VB + (I1) × 10mΩ = 900 μV
现在，经过上述深入浅出的介绍后，你可能会说，世界上存在成千上万的电路，它们必定都有0V轨，但它们的工作看起来好得很，因此有什么问题呢？大多数情况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧级别，电流是毫安，因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。0V加上500 μV还是非常接近0V，没有人会担心。
这样的回答问题在于，很容易让人忘记0V轨，并认为在所有条件下都是0V，但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是：
● 当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时；
● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时；
● 最终压降不管值是多少，其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。
什么时候考虑接地
优秀的电路设计师的优秀品质之一是，知道何时需要慎重考虑这些条件，何时可以安全地忽 略这些条件。通常的复杂性在于，你作为电路设计师可能不负责电路版图，版图设计要交给专门的版图人员完成(他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地 对版图来说总是敏感的，不管是分立的布线还是印刷电路板，如果设计要求比较高，设计师就必须在这方面具备一定的知识，并进行有效控制。
这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动，这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话，确保不管这些电流在哪里流动，造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是0V和地线，因为它们是最被认可的，但问题的实质是普遍性的，适用于电流流经的任何导体。电源轨(或轨)是另外一种特殊情况，此时的导体阻抗可能会产生问题。
1.1.1 在一个单元内的接地
本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆，因此你可以确定一个“局部”的接地点，比如主电源地的接入点。图1.2给出了一个例子。

图1.2 典型的单元内部走线机制。
假设如印刷电路板(PCB)1包含输入信号调节电路，PCB2包含用于信号处理的微处理器，PCB3包含大电流输出驱动器，比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上，但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。
电源单元(PSU)为前两块电路板提供低压电源，为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图，图1.2可以用作说明好坏实践的起点。
1.1.2 机箱地
首先需要注意的是，地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点，这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。
这些连线有主电源安全地(后面会有更详细的讨论)、0V电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接(如变压器中的静电屏蔽)。
机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流1。如果使用多个接地点，即使存在另外一条电流返回路径，机箱中也会有与之成比例的电流流动(图1.3)。具体比例则取决于阻抗比，而阻抗又取决于频率。

图1.3 具有多个接地点的返回电流路径。
这种电流很难预测，而且可能受到结构变化的影响，因此它们会产生极其意外又令人恼火的效应：可能花了很长时间去跟踪振荡或干扰问题，最后发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。
机箱连接处会受腐蚀的影响，因此单元性能可能随时间推移而劣化，而且会受机箱材料表面氧化的影响。如果你使用多点机箱接地，那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。
但是，当要求射频屏蔽和/或低电感接地时，多点接地也许是必须的。
1.1.3 铝的导电特性
由于铝是一种轻量、坚固和高导电性的机箱材料，在整个电子行业中有着广泛的应用——只有银、铜和金具有更高的导电率。铝机箱具有相当低的体电阻，因此非常适合用作导电接地端。
遗憾的是，铝的另外一种属性(在其它情况下非常有用)是它的表面很容易氧化，以致于所有实际使用的铝材都覆盖有一层氧化铝(Al2O3)薄膜。氧化铝是一种绝缘物质。事实上，它的绝缘性能相当好，以致于阳极电镀铝常用作散热器上的绝缘垫圈，因为在这种铝材表面通过化学处理方法专门生成了一层很厚的氧化膜。
这种品质的氧化铝的实用结果是，连接在一起的两层铝之间的接触电阻异常高。实际电气接触只是在氧化膜破裂的地方。因此无论何时只要你想保持由多片铝板做成的 机箱的导电连续性，你必须确保铝板紧密地绑定在一起，最好采用焊接或紧固的方法，后者可以使用防震锯齿形垫圈并使之深入铝材表面。
接地点可以采用同样的方法。最好的连接方式是压接或焊接螺柱(因为铝焊接起来比较困难) (图1.4)，但如果这种方式不可用的话，可以在与铝材接触的螺母下面使用防震锯齿形垫圈。

图1.4：到铝材的电气连接。
其它材料
另外一种常用的机箱材料是镀镉或镀锡的钢材，这种材料不存在氧化的问题。低碳钢的体电阻是铝材的三倍，因此导电性不是太好，但它具有更好的磁屏蔽属性，并且价格较低。
压铸型锌材也非常流行，因为它重量轻，强度大，并且通过压铸工艺很容易做成复杂的形状。锌的导电性是铜的28%。在导电性为主、成本次要的场合(比如射频电 路)，还可以使用其它金属，特别是镀银的铜。(在镀银层表面形成的)氧化银优点是具有导电性，并且很容易焊接。表1.1给出了几种金属的导电性和温度系数。
表1.1 几种金属的电导率。

1.1.4 接地环路
机箱单点接地的另外一个理由是，循环的机箱电流与其它接地线结合在一起时会产生所谓的“接地环路”，这是低频磁感应干扰的一个重要来源。
磁场感应出的电流只能在闭环电路中流动。磁场广泛存在于电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz)，还有开关电源中使用的高频开关变压 器和电感——以及其它电磁设备周围，如电流接触器、螺线管和风扇。同时还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.5所示。

图1.5：接地环路。
楞次定律告诉我们，环路中感应的电动势(EMF)是：
V = -10-8 × A × n × dB/dt
其中A是单位为cm2的环路面积，B是假设均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度，n是匝数(单匝环路时n=1)。
举个例子，在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机附近通常有一个10 μT 50Hz的磁场，它们以合适的角度穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处安装一段导体并在两端接地的情况下形成的)，这时感应到的电动势是：
V = -10-8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t)
= -10-8 × 10 × 1000π × cos ωt
= 314 μV peak
磁 场感应通常是一种低频现象(除非你刚好非常靠近一台大功率的无线发射器)，从这个例子可以看出，在大多数情况下感应到的电压是很低的。但在低电平应用中， 特别是音频和精密仪器，这些电压就变得相当显著。如果输入电路包含一个接地环路，干扰电压将与有害信号一起直接注入进来，并且无法分离。
解决这个问题的方法有：
● 通过只在一点接地打开环路
● 通过将侵害线靠近地平面或机箱布线或直接短路来减少环路面积(上面公式中的A项)
● 通过重新调整环路或干扰源的位置或方向来减少归一化到环路的磁通量
● 减少干扰源，比如使用环形变压器

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