接地-信号线一定要使用屏蔽层吗？

　　1、接地--基本概念
　　引言
　　接地，是个很复杂的问题，一篇帖子很难说的清楚，同时还想从例子说起，以便能够让大家认识到事物的本质，对我这样一个工科出身的硬件工程师来说还是有些难度，总怕表达不清楚或不到位，把大家引入歧途。尽力吧，讲的不当的地方，希望大家体谅。
　　以下一些基本概念，后续将着重讲工作地的设计和分析方法，因为，工作地是最复杂，也最容易在实际设计当中出错。当然也是硬件工程师必须要搞清的东西。
　　基本概念
　　接地，比较直观的就是接大地。实际上，接地是一个系统级的概念，接大地已经不能清晰地描述系统接地的概念了。为了清楚表达接地的概念，可以引用亨利。奥特的定义：“接地是为电流返回其源提供的低阻抗通道”。
　　对于不同的应用，有不同的理解，对于线路工程师来说，接地的含义通常是线路电压的参考点；对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；而对电气工程师来说，它却是绿色安全地线或接到大地的意思。
　　接地的作用
　　设计中接地往往基于各种理由，例如电力配电、安全、信号综合、防雷、EMI和静电放电等等。接地设计时，电流幅度和频率是两项关键因素，他们决定着接地应采用何种方式以及系统对接地质量要求的高低。根据接地需求的不同，接地的主要作用有：
　　防雷接地
　　把可能受到雷击的物体和大地相接，以提供泄放大电流的通路称之为防雷地。这种接地的目的很明确，就是防止人及物体遭到雷击，这些物体可以是天线、大楼、电子或电气设备等。
　　由于雷电放电电流一般是脉冲性的大电流（可高达上百千安），其上升沿可达到微秒量级（1-10 微秒，持续时间100 微秒以下），因此要求防雷接地的接地阻抗要小。为了避免雷击电流引发机房设备之间的高电位差，要求设备之间特别是有电气联系或距离较近的设备进行低电感和电阻搭接。
　　保护接地
　　保护接地就是为了保护设备、装置、电路及人身的安全。因此，在设备、装置、电路的底盘及机壳端一定要采取保护接地。因保护接地和人身安全相关，保护接地的方式在配电的标准规范中以及安全规范都有严格规定。
　　保护地主要用以保护工频故障电压对人身造成的危害，其保护原理是：通过把带故障电压的设备外壳短路到大地或地线端，保护过程中产生的短路电流使熔丝或空气开关断开。保护地的工频电阻要求较小，同时要求保护地的可靠性很高。从电源频率的角度来看，如仅对人身安全的保护接地而言，可以不对保护地提出低电感的要求。
　　工作接地
　　工作地线是单板、母板或系统之间信号的等电位参考点或参考平面，它给信号回流提供了低的阻抗通道。信号质量很大程度上依赖于工作接地质量的好坏。由于受接地材料特性和其他技术因素的影响，接地导体的连接或搭接无论做的如何好，总有一定的阻抗，信号的回流会在工作地线上产生电压降，形成地纹波，对信号质量产生影响；信号越弱，信号频率越高，这种影响就越严重。尽管如此，在设计和施工中最大限度地降低工作接地导体的阻抗仍然是非常重要的。
　　屏蔽接地
　　屏蔽接地是和结构息息相关的措施。电磁屏蔽时并不要求与大地连接，屏蔽结构接到大地上更多的是安全等方面的需要。
　　为了防止电磁辐射和干扰，系统设计中常采用结构屏蔽的方法。为了使结构有较好的屏蔽效能，要求对结构箱体的开孔尺寸有一定限制，特别是通风孔。但是电缆出线往往会破坏了这种屏蔽效能，因此要求电缆在出屏蔽体时与机柜连接。
　　防静电接地
　　静电的危害是众所周知的，当人手触摸电子装备时，由人体附带的数以千伏的静电电压，会对设备中的电子器件发生放电，虽然静电的能量不高，但产生的瞬时电流足够大，有可能造成电子器件的损坏。
　　人体产生的高电压静电通过没有接好大地的单板上安装的金属拉手条，会产生放电现象，如果单板上的电子器件绝缘处理的不好，瞬态“大电流”足以破坏绝缘造成单板上器件的永久性损坏。如果在机箱上装了防静电手腕，在人体触摸设备之前，通过防静电手腕把静电泄放到大地，以使人体和设备之间的电位相等从而达到保护的目的。
　　由于防静电接地大多针对人和设备，因此在人体和设备之间增加保护电阻（如防静电手腕中的电阻）防止机柜带电对人身造成的可能伤害，当然也可限制人体对地产生的静电泄放电流，从而起到保护设备的作用。
　　2、接地-目的
　　接地根本目的就是改变共模电流的方向。
　　对于任何信号，都会选择最小阻抗的路径返回信号源端。那么如何选择接地点硬件工程师必须认真考虑，产品的EMC问题和单点、多点接地关系不大，接地主要是为了改变共模电流方向；接地位置不对，不仅解决不了干扰，反而会加大干扰，不如不接地。
　　产品中的外接电缆和接地线都是天线（又一个知识点，这里就不讨论天线的问题，留着其他帖子讨论），对于干扰信号，即使没有直接相连，也会由这些天线自动接收外部干扰，以及对外产生*扰发射或传导。
　　所以接地点的选择依据就是避免这些干扰共模电流进入板卡内部，以下用一些图表来说明：
　　图1就是比较好的接地选择点；

　　图1 就近接地地
　　图2避免这样的选择，这样的选择轻者板卡工作异常，重则烧毁板卡；

　　图2 最差接地点
　　对于一些浮地产品，同样存在问题，因为浮地阻止不了共模干扰电流流入工作地。所以不要认为浮地产品，特别是一些自带电池的产品，就不需要考虑EMC问题，也许问题更严重。
　　从图3可以看出，浮地对共模电流无能为力。

　　图3 浮地的影响
　　3、接地-布局
　　我们在做产品时，除了需要考虑完成的功能，同时需要考虑产品的RAMS要求，同样地EMC分析也是一个好的产品必须具备的步骤。什么是RAMS分析？怎样分析？我会在讨论完EMC问题后，为大家慢慢讲解。今天重点说一说EMC设计中的布局。
　　一个产品，没有一个好的布局是不可相像的。比如，机箱的每个面都有引线，暂不说带来的EMC问题，就是从美观和可安装性上来说，就不可能成为一个好的产品。先从结构上说起，我们布局时尽量把引线放在机箱对称的两侧，最好的放在一侧，这样无论是外观，还是可安装性，都是上上之选。

　　不管是机笼，还是一块整板，只要你逻辑功能图都如上图一样，那么你就要注意了，右边的电缆到达一定长度时，不管你加不加C1，结果都是一样的：产品不可能通过测试。
　　如果根据下图修改，效果会好很多。

　　上图最大的特点，就是一侧布局。但这样还是不够，如果有大能量共模干扰耦合到电源线上，虽然能量不会通过板卡内部，但干扰会在电缆接口部分形成局部电压差，很可能烧毁电缆接口芯片，所以需要在电缆与芯片之间的导线上串一个几十欧的电阻，并在电阻与接口芯片之间的信号线与信号参考地上加TVS 管。
　　4、接地--浪涌试验时为什么只烧毁功放板
　　有人问我：在做设备的浪涌试验时，其他的都没有损坏，为什么只有离电源输入端最远的功放板烧毁了？我也很纳闷，等看过了他的布局图，我乐了，因为我也犯过同样的错误。
　　设备布局图如下：

　　打不开，请参考附件
　　在分析前，先明确接地的概念，这里的接地，不是指安全地，而是特指参考地。因为EMC测试所说的地就是参考地，是一个大面积的等电位的金属板，这个金属板接大地的线缆就是安全接地线。
　　这只是个简图，原图上没有C1、C2、 C3、C4和C5，是我后期为了分析容易补上去的，电源输入线的正负极之间肯定也有保护电路，如果大家感兴趣，我们可以在后续文章里再重点讨论。同样，我们这里也不讨论差模干扰，因为对于浪涌，差模很容易解决。
　　在设备布局时，他考虑更多的是功能，对EMC设计考虑的太少。EMC里的接地的主要目的是改变共模干扰传输路径，避免干扰电流流过敏感电路。
　　原图的设计中针对浪涌的处理，靠的是工作地和机箱间的空气间隙来保证。但是，对于高频干扰信号，影响最大的是寄生参数，隔离电路只能阻断差模信号，对共模干扰没有阻隔能力。
　　从图上可以看出，相对于输入干扰信号，存在很多寄生通道，如C1、C2、 C3、C4和C5，因为任何信号的传递，都是闭环的，干扰信号肯定会通过这些寄生通道流回到干扰源，只是流过不同寄生通道的电流大小不同罢了。
　　当电缆相对于参考地位10cm时，寄生电容为50pf/m，寄生电感是10nH/m。对于长距离传输的电缆，功放和外设之间的距离超过100米，这个时候，如果C1和C2也是寄生电容，那么C3和C4就是一个低阻抗的通路，浪涌共模干扰电流就通过大面积的背板流向功放板，然后通过C3流向参考地，功放板能保住那就见鬼了。
　　为什么控制板没有问题呢？那是因为控制板没有对地泄放通路，准确地说对参考地的寄生电容太小，相对于功放板的输出电缆，可以忽略不计。
　　分析到这里，大家应知道怎么进行EMC改造了吧，那就是在电源板上加上C1和C2。
　　C5和机箱接地点对本文分析影响不大，但它在其他应用里影响相当可以。本来想同时分析一下，但不知不觉，就写了这么多，只好打住，也不知道说明白了没有，呵呵。
　　5、接地-数字地和模拟地如何接？
　　概述：
　　PCB模拟地和数字的接法在很多资料里都有论述，基本大部分是从信号完整性的角度来进行讲解。既然这个帖子是属于EMC分析，所以，本帖子重点从EMC设计的角度进行论述。
　　接地的目的是为了引导干扰电流的方向，也就是说，一个好的结构布局保证设备对外*扰电流不流向电缆，外部对设备的干扰电流不流向核心电路。设备的通用接地点一般靠近电源输入口。
　　对于静电测试，容易出现问题的地方一般出现在接口部分以及开口或接缝处，这里不讨论其他问题，只讨论模拟接地。
　　很多仪器仪表产品的基本结构如下图所示：

　　上图是一个典型接法，模拟地与机箱之间不是直接电连接，采用一点接地。在静电测试中，模拟接口不可避免的会把能量接入模拟地，再通过接地点流向机箱（上几篇文章详细地论述了PCB板直接接机箱或浮地，结果是一样的，只不过流过PCB的干扰电流大小的问题）。在静电通过接地点时，在数字地和模拟地之间有一个△V的电压差，相对于模拟器件（A/D，D/A），这个压差就会影响到模拟器件的工作，A/D采集可能出现坏点，D/A输出可能就有一个阶跃，这在一些应用中就是致命的。
　　如果模拟地不是通过接地点与机箱相接，直接由螺钉连接，是不是就可以解决这个问题？结论是“可能”，不管你怎么连接，只能改变流向核心电路的能量大小，不可能完成避免。
　　如果改成下图的结构，结果要好很多：

　　采用全铺地，并且在模拟器件的旁边，在两个地之间加两个接地螺钉，效果要好很多，能量就近泄放，不会像上图一样形成一个大的泄放环路，不会在两个地之间形成电压差（或非常小，在模拟器件的共模抑制能力范围内），模拟器件在外部干扰下可以正常工作，顺利通过各种针对信号线的测试。
　　这只是一个典型例子，其实，不管什么样的结构，都可以近似于上图的模型，进行EMC分析和改造，只要记得，接地的本质就没问题。
　　6、接地-磁珠不要乱用
　　在很多文章中都有磁珠的介绍，其中觉得写的比较透彻的是zjd01写的“电感和磁珠两兄弟的差别”。本文主要是从EMC应用角度来说明。
　　磁珠通常推荐应用在电源或信号线上来增强去耦效果，但在地之间的使用时一定要小心，特别是会有大能量干扰信号流过磁珠的应用场合。
　　记得在刚学习DSP设计时，师傅在DSP模拟部分应用是推荐一个电路，就是在数字电源和模拟电源上串两个磁珠，然后加上滤波电容就OK了，很长一段时间，都奉为经典，直到接触EMC设计时，才发现错的有多厉害，也明白了当时的一些问题的症结所在。

　　磁珠在干扰电流通过时呈现电阻特性，这个时候在磁珠的两边会有一个很大的△V，具体反映到DSP的模拟部分，A/D测量就会出现一个大的波动，不管你用什么滤波算法，在持续的干扰下，测量结果肯定是一塌糊涂。
　　所以在这些简便应用中，地上一定不要加磁珠，直接短接就可以了。
　　7、接地-接地带来的辐射
　　曾经见过下图所示的接地方法，当时就傻了，当然辐射发射测试也没有通过：

　　［/url］地是通过接线端子直接接到外部大地，屏蔽机箱直接接到接线端子，这个接法好像中规中矩。但是，任何导线都有电感和电容寄生参数，大家可以想象一下，在屏蔽机箱内部有一个很大的接地环路，这就是一个谐振电路，内部电路上的各种谐波就可以通过这个谐振电路通过接地线发射出去。
　　EMC整改的方法如下：

　　因为接线端子和机箱外部地线之间的连接被机箱隔断，所以，内部干扰会被屏蔽在机箱内，对外辐射问题解决。
　　8、接地-信号线一定要使用屏蔽层吗？
　　曾经见过一个产品，信号输出，采用变压器隔离的，为了提高屏蔽效果，采用了双端接地，但因为设备输出是浮地的，机壳也是塑料材质，设备端接地采用下图所示的接法，在做辐射发射试验时超标。

　　设备端得接地是通过变压器的中心抽头串一个电容C1实现的，本意很好，但却恶化了对外辐射发射性能。
　　对于内部电路，高频信号会通过变压器耦合电容C2之间耦合到信号线和屏蔽层上，因为信号线是双绞线，所以两条信号线的共模干扰互相抵消了。但因为有接地阻抗，在接地阻抗上就会有一个Vn电压，屏蔽电缆就成为了单极天线，对外形成辐射，如下图所示。

　　［/url］解决方法是使用普通电缆，这样就去掉了发射天线，在辐射发射试验中顺利通过了测试。