一文講解電力電子設(shè)計(jì)中的接地系統(tǒng)

一、關(guān)于地的前言

在電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，關(guān)于地的話題可以說無處不在，無論是模擬電路還是數(shù)字電路，低速系統(tǒng)或者高速系統(tǒng)。很多工程師在入門時(shí)甚至工作多年都很困惑這個(gè)問題，而不明就里的一些菜鳥覺得“地”就是零電位點(diǎn)，就是電源的負(fù)極而已，沒啥好說的。

但是隨著工作的深入，我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中遇到關(guān)于“地”的問題越來越多，譬如設(shè)備在測試時(shí)運(yùn)行正常，到了現(xiàn)場安裝后跑起來就各種問題，在模數(shù)混合系統(tǒng)里對(duì)不同類型的系統(tǒng)進(jìn)行地平面分離處理，在產(chǎn)品進(jìn)行EMC等電磁認(rèn)證測試時(shí)各種干擾問題最后都會(huì)落到“地”上。一些技術(shù)前輩在指導(dǎo)新人時(shí)往往又以“看情況”來解釋相關(guān)問題的關(guān)鍵，因此，如何從理論到應(yīng)用的角度去認(rèn)識(shí)“地”可以說是一名工程師進(jìn)階的重要一步，本篇文章試圖總結(jié)一二。首先可以說所謂的“地”，就是系統(tǒng)的一個(gè)統(tǒng)一參考點(diǎn)。

二、簡介配電系統(tǒng)的地

我們先從電的起源發(fā)電廠說起，大家都知道現(xiàn)在家用的電器大部分供電都是單相電220V/50Hz，有三根線火（L）、零（N）、地（PE），一些大功率工業(yè)設(shè)備則有采用三相電，那么從發(fā)電廠出來的電經(jīng)過了那些變換才輸送過來的。下圖是利用轉(zhuǎn)子切割磁感線產(chǎn)生三相電的基本原理，產(chǎn)生的相鄰輸出線之間相位差是120度，采用三相的原因與發(fā)電效率和輸出方式相關(guān)，不必深究。

在上圖的三相四線制配電系統(tǒng)中，中性線一般接地，因此也被稱為零線。中性線或者零線的作用就是為了取單相電220V，三相電設(shè)備和單相電設(shè)備供電方式的不同如圖：

而我們一般都知道用電設(shè)備要接地，這就是三相五線制中的PE線，也叫保護(hù)地線，用來連接設(shè)備的金屬外殼防止漏電。那么，下圖就是電廠的電經(jīng)過變壓傳輸后到達(dá)用戶端后的一個(gè)復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)的配置，屬于低壓配電系統(tǒng)中的常用的TN-S系統(tǒng)。

N線又叫工作接零，用來返回回路電流，PE叫做保護(hù)接零，不經(jīng)過變壓器，用來連接設(shè)備金屬外殼到大地。我們可以看一下保護(hù)接地的原理：

如果因?yàn)榫€路老化等原因?qū)е略O(shè)備外殼帶電，在PE線連接的情況下外殼漏電會(huì)從PE線過，否則就會(huì)從人體流到地，導(dǎo)致觸電。另外還有IT、TT、TN-C等其他幾種適用于不同情況的配電系統(tǒng)，說到這里，除了介紹一些配電系統(tǒng)的接地知識(shí)，我們也可以看到的一個(gè)關(guān)鍵詞就是“回路”，所有的能量都在尋求一個(gè)回路，從高到低，所以我們需要根據(jù)需求和需要設(shè)計(jì)這些回路。接著思路下面我們?cè)龠M(jìn)一步介紹設(shè)備里的屬于弱電系統(tǒng)的電路板電路設(shè)計(jì)上的地又有何不同之處。

三、詳解電路設(shè)計(jì)中的地

高壓經(jīng)過降壓等處理后用來給設(shè)備以及電路板上的元器件供電，電路板的作用就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、通訊、控制等功能。電路設(shè)計(jì)時(shí)又根據(jù)模擬和數(shù)字的不同、高速和低速的不同、功率大小的不同等來分別有相對(duì)應(yīng)的要注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。其中一個(gè)顯著的點(diǎn)就是我們經(jīng)?？吹降腜CB設(shè)計(jì)中的各種地的劃分，有AGND、PGND、DGND、EARTH，還有浮地技術(shù)等等。

（1）關(guān)于模擬地和數(shù)字地：

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)有何不同，初學(xué)者大體都會(huì)講出連續(xù)和非連續(xù)這樣的差別，沒錯(cuò)，但是正弦波和方波帶來的影響是什么？尤其是對(duì)地的影響，我們知道在分布參數(shù)分析電路中傳輸線的等效模型是LC，地線同樣有這些寄生參數(shù)的影響，我們看一下正弦波和方波回路中的地有何差異。

我們可以看到方波因?yàn)樽兓俾士鞂?dǎo)致存在寄生效應(yīng)的地線上電位噪聲較大，對(duì)于數(shù)字電路而言是以高低電平為標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的噪聲容限，而如果模擬信號(hào)也以同一個(gè)地作為參考點(diǎn)，對(duì)于微弱信號(hào)采集而言則會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。因此我們需要分別設(shè)計(jì)地回路，然后單點(diǎn)連接，這樣可以避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬地的干擾影響模擬信號(hào)的采集和處理。曾經(jīng)在一次處理傳感器信號(hào)采集和電磁閥控制的電路設(shè)計(jì)中就因?yàn)槲茨芴幚砗玫鼗芈穼?dǎo)致采集信號(hào)噪聲太大。

（2）關(guān)于高速電路與地

很多同學(xué)可能不太分得清信號(hào)高速和高頻的差別，高頻是指信號(hào)的頻率高，也就是周期小，可以說不分模擬或者數(shù)字。而高速電路特指數(shù)字電路中的電平變化速率很高，也就是上升沿和下降沿的斜率，我們?cè)陬l域里看看數(shù)字信號(hào)的本質(zhì)。

方波的FFT變換：

因此我們看到方波包含多次諧波信號(hào)，從基波到高次諧波，邊沿變化速率越快越接近這個(gè)公式，而對(duì)于數(shù)字信號(hào)帶來的諧波干擾，處理好信號(hào)的地環(huán)路很重要。對(duì)于高速電路如大于10MHz的數(shù)字電路，接地一般采用多點(diǎn)接地，也就是信號(hào)伴地走，為信號(hào)提供最短返回路徑。

一般信號(hào)和高速信號(hào)的分析差別：

我們?cè)倏聪聰?shù)字IO口的產(chǎn)生：

所以對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)好就近的返回回路是避免干擾的重要一點(diǎn)，因此在多層PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)層貼近電源或者地層設(shè)計(jì)。

（3）信號(hào)屏蔽和地

對(duì)于信號(hào)的屏蔽保護(hù)是為了將外來干擾導(dǎo)入接地，避免通過電磁干擾影響電路，也可以防止電磁泄露干擾其他部分。對(duì)于信號(hào)線我們常見的是屏蔽線纜：

對(duì)于屏蔽線纜的單端接地和兩端接地一直有不同說法，實(shí)際應(yīng)用主要參考原則有幾點(diǎn)：

a、  防止靜電感應(yīng)的話必須采取單端接地，這樣靜電泄放最快。

b、單端接地主要是衰減低頻干擾，低頻信號(hào)建議單端接地。

c、  對(duì)于雙層屏蔽線，一般采取內(nèi)層單端接地泄放靜電，外層雙端接地屏蔽電磁感應(yīng)。

對(duì)于電磁泄露的屏蔽主要涉及到屏蔽外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是一些縫隙和搭接，在輻射測試中往往是最多出問題的地方。

（4）接口防護(hù)和地

我們這里說的接口防護(hù)主要是指電磁騷擾防護(hù)，具體包括傳導(dǎo)和輻射兩種干擾路徑。傳導(dǎo)的路徑可以是電源和信號(hào)線纜，輻射則主要來源于附近的電磁輻射源。對(duì)于防護(hù)的設(shè)計(jì)依然是宜疏不宜堵，需要設(shè)計(jì)干擾的泄放路徑和濾波方式。如一般接口的防護(hù)設(shè)計(jì)：

這里主要的是防護(hù)器件的選型和配合使用，如常用的GDT、TVS、磁珠、電感等等。在PCB設(shè)計(jì)上必須按照信號(hào)路徑規(guī)范布線，器件放置在接口附近。這里的設(shè)計(jì)沒有唯一答案，主要在于應(yīng)用和實(shí)際測試的考慮，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)來給出對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施和等級(jí)。

對(duì)于輻射干擾的防護(hù)主要是以屏蔽為主，對(duì)干擾源和被保護(hù)電路進(jìn)行屏蔽處理。

（5）浮地技術(shù)

在電路設(shè)計(jì)中浮地設(shè)計(jì)也是很常見的一種方式，就是電路板的地不和外部地連接，而是進(jìn)行隔離處理，這樣就有形成一個(gè)相對(duì)封閉的電路參考系統(tǒng)，可以避免外部的干擾。  

但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)有幾點(diǎn)需要著重注意：

a、  容易積累靜電，達(dá)到一定程度后可能會(huì)導(dǎo)致靜電干擾。

b、對(duì)外的寄生電容必須要注意，否則高頻干擾會(huì)耦合進(jìn)來。

我們的一些產(chǎn)品中因?yàn)橥獠侩姶怒h(huán)境的惡劣會(huì)采取浮地的設(shè)計(jì)方式，或者采取單點(diǎn)通過電阻電容等接到外殼地。

三、小結(jié)

上述內(nèi)容關(guān)于電力電子中地的概念依然比較淺顯，但是確實(shí)是最基本的一些原則原理，實(shí)際設(shè)計(jì)中大多依靠這些點(diǎn)來進(jìn)行。實(shí)際上我覺得在這個(gè)分析中最重要的理解點(diǎn)是源-阻抗-回路，

對(duì)于源（功率源、信號(hào)源、干擾源）的回路設(shè)計(jì)是最基本的出發(fā)點(diǎn)，但是在實(shí)際中又不能默守陳規(guī)嚴(yán)格按照原則劃分，否則出現(xiàn)問題的可能性還是很大，比如什么時(shí)候模數(shù)的地需要分開，如何評(píng)估互相之間的影響等，分割地之間的聯(lián)系方式等。因此我們需要掌握這些基本原則，對(duì)設(shè)計(jì)有宏觀原則的理解，然后結(jié)合實(shí)際去設(shè)計(jì)真正符合應(yīng)用要求的電路，最后這張圖就是一張非常清晰的關(guān)于地設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參考示例。