接地的含义及种类
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接地技术是抑制噪声、滤除干扰的主要措施，接地可以理解为一个等电位点或者一个等电位体，是电路中的基准电位。接地技术是电磁兼容设计中一项重要的技术，也是难度较大的技术之一。地线是电子产品的基础，是安全保护的基础，是设备工作稳定的基础，也是EMC设计的基础。接地必须有接地导体和参考地才能完成，参考地的含义是广泛的，可以是大地，也可以是设备的壳体、机柜的柜体，理想的参考地是一个零电位、零阻抗的物理体。接地导体是电路、设备、模块单元、分系统的接地点与参考面的连接体。地线一方面是电子产品电路的参考点，另一方面是信号电流流回信号源的低阻抗路径，地线上是有一定电位的，并不是传统意义上的“零电位”。通用的接地定义是：电流返回其源的低阻抗通道。常见的接地点有PE—保护接地、AGND—模拟地、LGND—防雷保护地、GE—数字信号地、FE—屏蔽接地、SE—系统接地等。接地技术最初是为了防止电子设备遭雷击而采取的保护性措施，目的是把雷电产生的雷击电流引入大地，从而起到保护电子设备的作用。目前接地还有其他方面的考虑，接地可以抑制干扰，保证电子设备系统工作稳定，以及保护人身和设备安全。接地系统的作用可以从安全保护和抑制干扰等方面来考虑。（1）防止外界电磁场的干扰。机壳接地为瞬间干扰提供泄放通道，防止电子设备因瞬时干扰而受到破坏，也可使因静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地进行泄放，防止电荷形成的高压对设备内部火花放电引起干扰。（2）提供参考电位。接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，各个电路的地之间没有电位差，保证电路系统稳定可靠地工作。（3）提供人身安全保护。供电系统、保护器件、设备和其他导电物体之间的低阻接地和搭接，使得故障或雷电所产生的电流不致引起可造成电击伤害的电压，从而保护操作者的人身安全。接地系统需要进行整体设计，才能满足要求。各个设备都需要连接在接地网上，组成法拉第笼，起到较好的屏蔽接地作用，如图1所示。法拉第笼（Faraday cage）是防止电磁场（EM field）进入或逃脱的金属外壳。一个理想的法拉第笼由一个未破损的、完美的导电层组成。在实际中这种理想状态是不能达到的，但是能够通过使用细网的铜筛来达到。为了达到最佳性能，法拉第笼应直接接地。接地按作用可分为功能性接地和保护性接地两大类。其中，功能性接地是为了保障设备正常运行的接地，包括系统接地、工作接地、逻辑接地和屏蔽接地；保护性接地是为了保护操作人员人身安全及设备不受损害的接地，包括保护接地、防雷接地、防静电接地和重复接地等。工作接地指根据系统运行的需要进行的接地，其作用为了满足系统设备的运行及安全的需要。工作接地是为了使系统及与之相连的电子设备均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。电力系统中将中性点（N线）接地，这种接地方式就是工作接地，如图2所示。这个接地系统通常有电流流过。三相四线制的零线在供电变压器端就是接在这个点上的，保护接零也属于这种接地。工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位，这个基准电位一般设定为零。该基准电位可以是设备电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，通常认为是相对的零电位。但零电位一般是不稳定的，它会随着外界电磁场的变化而改变，从而导致设备工作不稳定。如果该基准电位与大地连接，则基准电位即是大地的零电位，不会随着外界电磁场的变化而改变。不合理的工作接地反而会使设备工作不稳定，如接地点不正确引起的干扰，电子设备的共同端没有正确连接而产生的低频环流干扰等。工作接地包括信号回路接地、屏蔽接地和安全仪表接地。信号接地回路要求接地电阻越小越好，系统的多个信号都会经过这里，起着工作回路的作用。工作接地一般不利用其他自然接地体，如金属上下水管、暖气管、煤气管、建筑物构架等，工作接地是按照相关要求专门铺设的地线。接地系统按照材质分为镀锌角铁和石墨电极两种。镀锌角铁接地系统施工方便，成本低，是大多数系统中采用的方式，石墨电极接地系统接地电阻精确，成本高，是精密仪器、科研单位、军工企业等所采用的方式。对于隔离信号可以不接地，即输入/输出信号之间的电路是隔离的，对地是绝缘的，其电源是独立的。将电子设备内部逻辑电路的基准电位点汇集于电路板上的一点作为逻辑信号的参考点而进行的接地，称为逻辑接地，它的作用是保证电路有一个统一的基准电位，不致于浮动而引起信号误差。逻辑接地需要较高的精确度、较强的抗干扰能力和稳定性。强电系统接地或防雷接地的一次正常泄流都有可能对逻辑接地造成干扰，引起系统误动作甚至击穿损坏。逻辑接地示意图如图3所示。为了防止电磁干扰，在屏蔽体与地或干扰源的金属壳体之间所做的永久良好的电气连接，或将电缆屏蔽层或金属外皮接地达到电磁兼容性要求的接地称为屏蔽接地。屏蔽接地可将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备的影响，同时减少电子设备自身产生的干扰影响其他电子设备。屏蔽接地示意图如图4所示。图4（a）采用的是360°环接方式接地，图4（b）采用的是“猪尾巴”连接方式接地。360°环接方式接地可以很好地实现屏蔽的作用，防止电磁泄漏，而“猪尾巴”方式接地，电磁泄漏严重，起不到屏蔽的作用，因此在实际应用中要采用360°环接方式可靠接地。第一类是静电屏蔽（防止静电场影响）。当用完整的金属屏蔽体将带电导体包围起来时，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量异种的电荷，外侧出现与带电导体等量同种的电荷，因此外侧仍有电场存在。如果将金属屏蔽体接地，则外侧感应出与带电导体等量同种的电荷将流入大地，金属壳外侧将不会存在电场，相当于壳内带电体的电场被屏蔽起来了。第二类是磁屏蔽（防止磁场影响，用于低频段）。低频磁场的屏蔽要用隔离的方法进行，原理是用高导磁率材料将被干扰设备（电路）周围磁场短路。第三类是电磁屏蔽（防止交变电磁场影响，适用于高频段）。为了有效地减少交变电场对敏感电路（如多级放大电路、RAM、ROM电路）的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，或将干扰源、敏感电路分别屏蔽，并将金属屏蔽体良好接地，这样电路就能正常工作了。例如，传输音频信号的屏蔽电缆、传输有线电视射频信号的同轴电缆，都可以有效地防止外界信号的干扰，同时减少信号的对外辐射，降低对其他电路或设备的干扰。屏蔽与接地合理配合使用，能起到良好的效果，既可以屏蔽静电电荷的破坏和干扰，又可以大大减轻交变电磁场对其他敏感设备的干扰，提高整个系统的电磁兼容性。在雷击发生时，把雷电流迅速引入大地，防止雷电对其他设施造成危害的接地称为防雷接地。防雷接地又称为过电压保护接地，是为防止雷击和过电压对电气设备及人身造成危害，通过雷电保护装置向大地泄放雷电流而设的接地。雷击表现为三种形式：直击雷、感应雷、雷电波。直击雷的主要袭入途径是从接收和发射天线侵入；感应雷的主要袭入途径是通过传输线缆，对与之相连的元器件造成损坏；雷电波指输电架空线遭雷击或发生感应雷时产生的沿各个方向迅速传播的高电位冲击波，它与感应雷所产生的电压降相同，危害相似，不同的是雷电侵入波在各个方向都传播，无规律，对电子设备极易造成干扰，严重时将对电源系统造成损坏。电子产品系统内部大多是电子元件，对雷击电磁脉冲极为敏感，易受到电磁干扰和损坏。雷击电磁脉冲由电磁感应产生，可以通过天线、信号线的耦合引入计算机网络设备，并造成这些设备的损坏。因此，该防雷保护接地应按照闪电电磁脉冲的屏蔽和等电位连接要求，将机房所在建筑物上的所有钢筋体、栏杆等金属体与防雷装置相连接，以形成庞大的屏蔽体。接地体是防雷装置的重要环节，无论是对直击雷的防护还是对雷电感应的防护，最终都需要通过接地体将雷电流泄放到大地中去。防静电接地是防止静电荷积聚而对设备或人体造成危害所设的接地。人身上的静电可能对设备造成损坏，设备上积累的静电也可能对人造成威胁，良好的防静电接地是很有必要的。在洁净、干燥的房间内，人的走步、移动设备、各种摩擦均会产生大量静电。例如，在相对湿度为10%～20% 的环境中，人的走步可以积聚3.5万伏的静电电压。如果没有良好的接地，不仅会对电子设备造成干扰，甚至会将设备芯片击毁。如图6所示，手指上的静电可能对芯片的引脚放电，对芯片造成损坏。防静电接地要求在干燥环境中，所有设备的外壳及室内（包括地坪）设施均须与PE线多点可靠连接。保护接地是为防止电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等带电危及人身和设备安全而进行的接地。保护接地用于将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳、操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电为强电（380V、220V或110V），通常情况下机壳接地是不带电的，当发生故障而造成电源的供电相线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就成了带电体，如果没有良好的接地，那么这些带电体和地之间就会有很高的电位差，人不小心触到就会通过人体形成通路，产生危险。因此必须将金属外壳和地之间进行很好的连接。保护接地示意图如图7所示。电子电气设备应保护接零。将电子电气设备正常运行时不带电的金属外壳与电网的零线连接起来。当一相发生漏电或碰壳时，由于金属外壳与零线相连，形成单相短路，电流很大，使电路保护装置迅速动作，切断电源，这时外壳不带电，保护了人身安全和电网其他部分的正常运行。在采用接零保护时，电源中线不允许断开。如果中线断开，将会失去保护作用。通常系统中采用零线重复接地的方法实现保护作用。电气电路重复接地示意图如图8所示。
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