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关于电子设计和 PCB 布局中的接地
关于电子设计和 PCB 布局中的接地
尽管国际标准试图将概念和术语分开，但接地技术、接地、进行接地连接和底盘接地的概念在电子产品中都非常复杂。接地在电子设计、电气工作的各个方面都很重要，当然，在 PCB 设计中也很重要。所有电路都需要一个参考连接，这就是我们所说的接地，但对于不同的系统，确切的参考以不同的方式定义。
如果您不确定接地在不同类型的电子设备中如何工作以及如何使用接地连接，那么没有适用于每个系统的简单答案。不同类型的电子产品将有不同的方式来定义它们的电势参考，并且所有接地并不总是处于相同的电势，这与您在电子入门课程中可能学到的相反。在本文中，我们将采用系统级方法来定义和集成数字接地、模拟接地、机箱接地以及最终的接地连接。继续阅读以了解接地最终如何连接到您的 PCB 并最终连接到您系统中的每个组件。
电路中的接地是什么？它有什么作用？
有几种定义理由的方法，这取决于你问的是谁。物理学家以一种特定的方式（主要是理论上的）定义它，而电工和电气工程师可能从字面上指的是你脚下的地面（大地）。在电子学中，我们有时将接地称为可互换地执行各种功能。以下是电子产品中接地的一些主要功能：
接地提供了一个用于测量电压的参考点。所有电压都是根据两点之间的电场（和势能）定义的。这些点之一可以定义为“0 V”，碰巧我们称这个 0 V 参考为“地”。这就是我们说 PCB 中的地平面是“参考平面”的原因之一。
接地可用于为电源返回电流提供路径，从而完成电路。
从概念上讲，地面充当一个大的电荷库，它也定义了电流的方向。由于我们将接地作为我们的 0 V 参考，高于或低于该值（正或负）的电压将驱动电流相对于接地位置的不同方向。
接地提供了电场终止的点。这实际上是第一点的变体。如果您曾经在电磁学课程中解决图像方法问题，您应该记住，接地被定义为专门保持在 0 V 的等势面。请注意，此定义也适用于保持在特定电压下的任何导体（例如，PCB 中的电源层）。
完美接地导体上的电压降为 0 V。换句话说，如果您测量接地参考中任意两点之间的电压，则应始终测量为 0 V。这是上面第 2 点的重述。
在 PCB 设计中，我们经常根据第 1 点和第 3 点谈论接地，因为它定义了如何向组件供电，以及如何在设计中测量数字/模拟信号。EMI/EMC 人员有时会根据第 4 点谈论接地，因为这基本上描述了屏蔽材料的功能。每个人都接受第 5 点为福音，尽管第 5 点在现实中并没有发生。
既然我们已经涵盖了这些要点，就需要了解一些关于电子产品中接地和各种类型接地的事情。
所有的理由都是不完美的
尽管所有接地区域都旨在具有上述特性，但导体的真实性质意味着它们在用作接地参考时的功能不同。此外，接地区域的几何形状决定了它如何与电场和磁场相互作用，进而影响电流进入接地区域和在接地区域内的移动方式。这就是为什么不同的信号将具有取决于其频率内容的特定返回路径的原因。此外，所有地都具有非零电阻，这导致了关于真实地的下一点。
并非所有地都在 0 V
悬空的导体或系统中参考不同电源的导体可能不具有相同的 0 V 电位。换句话说，您可以为两个不同的设备提供两个接地参考，它们都连接到同一个参考，但是如果您测量它们之间的电位，您将测量到非零电压。
在电源系统中，通常在电路中使用电容器接地以利用接地之间的电位差来提供EMI 滤波。
当两个设备将同一导体作为接地连接时，甚至会发生这种情况。如果您要测量长导体上的电位差（例如，使用万用表），它可能不为零，这意味着一些电流正在沿着导体驱动。沿着大地或两个接地连接之间的这种电位差称为“接地偏移”。在较大的多板系统中，或在工业和网络设备等领域，接地偏移是使用差分信号（例如，CAN 总线、以太网等）的驱动因素之一。由于差分协议使用两根导线之间的电压差，因此它们各自的接地参考无关紧要，并且仍然可以解释信号。
在电子领域，新设计师很容易被 PCB 设计中涉及的各种接地术语混淆：数字、模拟、系统、信号、底盘和接地。再加上代表地面的符号是混合的并且经常被滥用，我这样做纯粹是为了方便而感到内疚。无论如何，有一些标准接地符号用于电气和电子工程，包括在您的电子原理图中。
使用 IEC 60417 标准中定义的符号在示意图中标出不同类型的接地连接。PCB设计中常用的常用符号如下所示：
信号地符号可用于数字或模拟地，只需确保应用正确的网络名称（我有时使用 AGND 表示模拟地，而 DGND 表示数字地）。机箱接地有时会连接回大地，具体取决于系统的构造方式和接收电源的方式。最后，安全接地有时可以通过零线直接接地，或连接到机箱，或者可能通过低电感机箱连接接地。
术语“接地”，或在电子产品中简称为“地球”，是指与地球的字面连接。换句话说，地球的电位被用作我们的 0 V 参考。如果您曾经看过一根带有电线的电线杆，您有时会看到一根电线从电线杆的侧面向下延伸到泥土中。这是接地连接不完善，因为沿电缆的土壤中的电阻可能很高。然而，使用大地可提供大量电荷，这是理想接地连接的特征。当负载消耗功率时，此连接不用于承载电流，它仅在耗散寄生电流（例如，噪声或 ESD 事件）时承载电流。
在电子产品中需要注意的重要一点是，并非所有系统都有底盘接地。通常，该术语是指外壳中的金属机箱，并与机箱进行连接。在 3 线 AC 系统（火线、中线和地线）或 3 线 DC 系统（DC+、DC 公共线和地线）中，机箱接地通常在电源进入的点连接到接地插入系统。系统的一部分也可以连接到底盘接地以吸收噪声或出于安全原因（例如，ESD 保护），如下所示的示例。这种安排为 3 线连接上的交流或直流输入提供了共模噪声过滤。
此原理图中的机箱接地直接连接到电路板，并带有一个连接到外壳的低电感接地触点。请注意，连接器上的引脚 3 是地线。
这种类型的接地连接提供两个功能：
由于底盘现在设置为全局 0 V 参考电位，底盘现在充当法拉第笼并提供宽带屏蔽。
它提供了一种安全功能，可将寄生电流（ESD、短路或噪声）消散回大地。这就是我们有时将底盘接地称为“安全接地”的原因之一。
在电池供电系统或具有简单 2 线直流电源连接的系统中，PCB 接地层可以通过安装孔连接回机箱。这里的想法是确保没有浮动导体，因为未接地的导体可以充当辐射器。电路板上未接地的机箱或其他浮动导体可能是辐射 EMI 的来源，可通过接地来轻松消除。
模拟和数字接地
模拟接地和数字接地是与接地和机箱接地不同的两个问题。通常在 PCB 上，您可以有一个如上所述的机箱接地连接和接地连接以确保安全。同时，您应该在 PCB 上有一个接地层，支持模拟和数字返回路径；你不应该有物理分离的地网。这些物理分离的接地在堆叠中重叠时会产生强烈的辐射发射，特别是在平行板波导频率下。相反，通过 PCB 中的单个接地参考执行所有操作
要了解有关模拟和数字接地点的更多信息，请阅读有关星形接地的这篇文章，因为它解释了不应使用物理分离的接地层的主要原因。
您应该将信号地接地吗？
您很少会直接执行此操作。这可能适用于正在测试的高压直流电池/PSU 或类似系统。通常，您可以将机箱接地连接到大地，然后连接到参考输入侧 PCB 接地层的电路。在非隔离的 3 线交流系统中，或在整流为直流的 3 线交流系统中，如果您将电路中的信号参考地连接到大地，您只是将交流上的负极线短路或直流线。不要这样做，因为现在底盘可能是一个大的载流导体！现在存在电击（在高压/电流系统中）或强烈 EMI（在高频系统中）的风险。完成此操作后，只要这是返回接地电抗最小的路径，电流就会返回接地连接，
在 2 线制系统（无接地连接）中，关于如何或是否将信号接地连接回机箱有不同的指南。一些指导方针说多点接地是可以的，其他人说在 I/O 附近使用单点，还有一些人说为了安全起见使用靠近电源连接器的单点。如果 RF 噪声是整个系统的一个问题，您可以在多个点连接到机箱以消散噪声，但您的布局中可能存在更大的问题，因为您没有正确构建叠层，而设备只是接收太多无线电能量。专注于正确构建叠层，您可能不需要在整个板上缝合安装孔连接，您只需要在几个点上即可。在这种情况下，您不应连接回地面。
PCB接地技术总结
由于 PCB 是容纳电子设备的容器，因此正确接地非常重要。正如我们上面所讨论的，您的接地策略与安全性、EMI/EMC 和系统设计相关，因此正确执行非常重要。虽然您的设计中存在多个接地似乎令人困惑，但最好的原理图编辑器工具和 PCB 布局软件将帮助您在创建物理布局时跟踪整个设计中的接地网络。