【电气设计】接地/浮地设计

在工作的过程中，遇到了需要测量接地阻抗的情况，组内讨论提到了保护接地和功能接地的相关需求。此文章用来记录这个过程的学习和感悟。

人体触电的原理：

可以看到我们形成了电流回路，导致触电。因此我们需要针对设备做一些保护设计。

单相/双相触电：

1. 接地：

1.1 保护接地

保护接地即要把和人体接触的设备和PE连在一起避免人体单独触电导致危险，具体原理图大概如下所示。

可以看到如果设备是有一条电阻极小的接地路径的话，按照并联的原理，通过人体的电流就会非常小，因此不会对人体造成伤害。（医疗行业常常低于100mΩ才能通过安规验证）

 

这种情况是因为人体站立的PE和系统上的PE是联通，这样会构成电流的回路，但若是人站在一个绝缘的板子上，那么就不会构成回路，不会有触电风险，具体的原理如下：

我们的绝缘体其实就类似于一个另一个PE，两个系统的PE不导通，因此不会产生问题。

1.2 功能接地

功能接地常用于：

1. 稳定参考电位：为电路提供统一的零电位基准。

2. 抑制电磁干扰（EMI）：引导高频噪声或共模干扰电流到地。

3. 消除地环路：避免不同设备间电位差导致的电流环路。

功能接地的技术实现与作用：

1.2.1 信号完整性保障

• 作用：在高速数字电路（如FPGA、高速ADC）中，功能接地提供低阻抗返回路径，减少信号反射和串扰。

• 技术要点：

  • 使用 多层PCB板，设置专用接地层（Ground Plane）。

  • 信号线与地线 紧耦合（如微带线、带状线布线）。

1.2.2 噪声抑制

• 作用：在变频器、开关电源等设备中，功能接地吸收高频谐波电流。

• 技术要点：

  • 采用 星型接地（Star Grounding），避免多点接地形成环路。

  • 高频设备使用 低感抗接地导体（如铜带、网状接地）。

 星型接地：

• 定义：星型接地是一种单点接地（Single-Point Grounding）策略，所有需要接地的电路或设备均通过独立导线连接到一个共同的接地点（称为“星点”或“参考点”），形成类似星形的拓扑结构。

• 核心思想：通过消除多个接地点之间的电位差，避免电流在地线中形成回路，从而减少噪声耦合。

1.2.3 电磁兼容（EMC）

• 作用：防止设备对外辐射干扰或受外界干扰。

• 技术要点：

  • 屏蔽电缆的 屏蔽层单点接地（避免两端接地形成环路）。

  • 敏感电路（如传感器）采用 隔离接地（如光耦、隔离变压器）。

1.2.4 静电泄放场景

接口防护

• TVS二极管：

  • 在USB、HDMI、电源等对外接口的每条信号线对保护地（PGND）并联TVS二极管（如SMAJ5.0A）。

  • 选型关键：击穿电压需高于信号电平（如5V信号选5V TVS），功率≥400W。

• 压敏电阻（MOV）：

  • 用于电源输入端的AC/DC防护（如14D471K，470V压敏电压）。

  • 需串联保险丝防止失效短路。

(2) 接地路径优化

• 低阻抗接地：

  • 保护地（PGND）使用宽铜箔或网格铺铜，减少阻抗。

  • 接地点通过多点连接到金属外壳（如螺丝孔周围环形接地）。

• ESD专用泄放器件：

  • 在敏感接口处使用ESD防护芯片（如TPD4E004），集成多路TVS和RC滤波。

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1.3 接地策略

 1.3.1 单点接地（Star Ground）

• 适用场景：低频电路（<1MHz）或小规模系统。

• 实现方式：

  • 所有电路地（SGND）汇总到单一接地点，再通过低阻抗路径连接保护地（PGND）。

  • 电源地与信号地在接地点处通过磁珠或0Ω电阻隔离。

1.3.2 多点接地

• 适用场景：高频电路（>10MHz）或大规模系统。

• 实现方式：

  • 在PCB上划分多个接地区域（模拟地、数字地、电源地），每个区域直接就近连接保护地。

  • 使用接地平面（Ground Plane）减少回路阻抗。

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1.4 结构设计与屏蔽

 1.4.1 金属外壳处理

• 全金属外壳：

  • 外壳所有金属部件（螺丝、散热片）需电气连通，并通过低阻抗导线（如编织带）接大地。

  • 接地点使用锯齿垫片刺破表面氧化层，确保接触阻抗<0.1Ω。

• 非金属外壳：

  • 内部加金属屏蔽层，屏蔽层多点接地。

1.4.2 爬电距离与隔离

• 空气间隙：高压区（如电源输入）与低压电路间距≥8mm/kV。

• 开槽设计：在PCB边缘或接口处开隔离槽，阻断电弧路径。

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1.5 关键电路防护

1.5.1  敏感器件保护

• I/O端口：

  • 信号线串联22Ω电阻（限流） + 并联TVS到保护地。

  • 对高频信号改用RC滤波（如100Ω + 100pF）。

• MCU/FPGA：

  • 所有未用引脚通过10kΩ电阻接地，避免浮空引入ESD。

1.5.2  电源防护

• DC电源输入：

  • 顺序防护：压敏电阻（MOV）→ 共模电感 → TVS二极管 → 滤波电容。

  • 示例：24V电源可用SMBJ26A TVS + 0805封装10μF陶瓷电容。

• 隔离电源：

  • 使用带Y电容的隔离DC-DC模块（如金升阳QA系列），Y电容跨接在初级与保护地之间。

2. 浮地

浮地设计是指 系统或设备的参考电位（地）不直接与大地或外部接地系统连接，而是通过隔离技术形成一个独立电位参考点的设计方式。其核心目标是：

• 阻断共模干扰路径：消除地环路电流导致的噪声耦合 （eg：GND1(5V) -- GND2(0V) 电流再PE的导线上导通） ，PE是低阻抗路径，就会导致电流在GND1和GND2之间流通

• 

• 提升系统抗干扰能力：隔离外部电磁干扰（如工频噪声、雷击感应等）。

• 保障特殊场景安全：例如医疗设备防止患者触电。

总计而来说就是我们的板卡和和外壳及PE没有任何接触，只要我们能保证电气间隙条件满足，电压不会对人造成伤害即可。

2.1 明确浮地与保护地的分离

• 浮地（Floating GND）：作为电路内部信号的参考地，不与外部大地直接连接，避免接地回路噪声。

• 保护地（Chassis GND）：连接到设备外壳或系统大地，用于泄放静电和浪涌电流。

• 二者关系：通过高阻值电阻或电容（如1MΩ电阻或1nF Y电容）实现高频/瞬态耦合，直流隔离。

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2.2 静电泄放路径设计

• 接口防护：

  • 所有对外接口（USB、HDMI、电源等）添加TVS二极管或压敏电阻，直接连接到保护地。

  • 避免TVS连接到浮地，否则静电可能通过信号线侵入内部电路。

• 浮地到保护地的耦合：

  • 在浮地与保护地之间跨接 1MΩ~10MΩ电阻 或 1nF~10nF Y电容（耐压需≥2kV）。

  • 目的：为静电提供高频泄放路径，同时保持浮地的直流隔离特性。

  • 

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2.3 结构设计优化

• 爬电距离与电气间隙：

  • 浮地区域与金属外壳/保护地（PE）之间保持足够的间距（如≥4mm/kV）。

  • 使用开槽或隔离槽防止电弧放电。

• 屏蔽设计：

  • 对敏感电路加金属屏蔽罩，屏蔽罩直接连接保护地。

  • 静电通过屏蔽罩导走，避免干扰内部浮地电路。

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2.4 关键电路防护

• 敏感器件保护：

  • 在MCU、传感器等器件的I/O引脚串联电阻（如100Ω）并并联TVS到浮地。

  • 浮地局部通过磁珠或0Ω电阻单点连接到保护地（如靠近接口处）。

• 电源隔离：

  • 使用隔离DC-DC模块，阻断静电通过电源路径传播。

  • 在隔离电源两侧跨接Y电容（如2.2nF/2kV）提供高频回路。

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2.5 接地策略

• 单点接地：

  • 所有保护地（TVS、屏蔽罩、金属外壳）汇集到单一接地点，再通过低阻抗路径连接到大地。

  • 避免多点接地形成环路引入噪声。

• 金属部件处理：

  • 设备外壳、按键、螺丝等金属部件直接连接到保护地，与浮地完全隔离。

原理图大概如下：

3.  接地浮地选择

3.1 关键决策因素对比

评估维度	接地设计	浮地设计
噪声抑制	对共模噪声抑制强，但易引入接地环路噪声	完全消除接地环路噪声，但需额外处理浮地积累电荷
ESD防护	泄放路径明确（TVS→PGND→大地）	需跨接Y电容/电阻建立高频泄放路径
成本	较低（无需隔离电源）	较高（需隔离DC-DC、光耦等）
安全性	必须可靠接地，否则有触电风险	即使外壳带电也不会传递到内部电路
信号完整性	适合低频，高频易受地平面干扰	适合高频，减少地弹噪声（Ground Bounce）
典型隔离电压	无隔离需求	1.5kV~5kV（医疗/工业标准）

4. 个人总结：

1. 单板电路中一般只有一个电流环路，我们针对，不同的电路部分，数字电路，模拟电路，保护地等等进行地的分割，避免接地环路噪声。每个地之间的分割方法通过不同的器件进行隔离

直接连接

• 适用场景：在一些对电磁干扰要求不高的电路中，保护地和信号地可以直接连接在一起，以保证电位的一致性，减少电位差引起的干扰。

• 连接方式：在电路板上，将保护地和信号地的铜箔直接连接，或者通过导线将两者连接起来。

通过0欧姆电阻连接

• 适用场景：适用于需要在一定程度上隔离保护地和信号地的噪声，同时又保证直流电位一致的情况。

• 连接方式：在保护地和信号地之间串联一个0欧姆电阻。0欧姆电阻相当于一个很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。

通过磁珠连接

• 适用场景：当电路中存在高频噪声时，使用磁珠连接可以过滤掉一些高频谐波，减少噪声干扰。这种方式在高频电路中较为有效。

• 连接方式：在保护地和信号地之间串联一个磁珠。磁珠在高频段具有良好的阻抗特性，能够对高频噪声产生较大的阻碍作用。

通过电容连接

• 适用场景：适用于需要在交流信号中隔离直流成分，同时允许交流信号通过的情况。

• 连接方式：在保护地和信号地之间并联一个电容。电容具有隔直通交的特性，可以让交流信号通过，而阻止直流电流的流动。

 2. 浮地和接地设计上有一个区分在于：

我们的保护地到底如何连接到大地上

浮地设计一般通过RC隔离浮地和PE

而接地设计GND往往通过TVS直接连在PE上。

3. 单点接地和多点接地的区分

单点接地：指电路上的各个GND及都汇集到同一个点再一起接到PE上，这样会避免电压差和PE上的低阻抗路径。一般用于低频电路。

多点接地：指各个GND单独连接到PE 就近进行连接，这样适用于高频电路，因为告诉电路的接地路径要尽可能的端，避免长地线呈感性造成电磁辐射。

一、单点接地（Single-Point Grounding）

1. 定义与原理

• 定义：所有电路的地线最终汇总到单一接地点，再与保护地（PE）或大地连接。

• 核心思想：通过消除多个接地点之间的阻抗差异，避免地环路电流。

2. 电路结构

• 星型接地（Star Ground）：

  [电路模块1] → GND1
  [电路模块2] → GND2
  [电路模块3] → GND3↓中央接地点 → PE

• 串联接地（Daisy Chain）：

  [模块1] → [模块2] → [模块3] → ... → 接地点 → PE
  （易引入公共阻抗耦合，不推荐）

3. 优点

• 消除地环路：仅一个接地点，无闭合回路路径。

• 低频噪声抑制：适合处理50Hz~1MHz的共模干扰。

• 简单可靠：布线清晰，调试方便。

4. 缺点

• 高频性能差：

  • 长地线在高频下呈现感性（如10cm导线在100MHz时感抗约6Ω）。

  • 导致地弹噪声（Ground Bounce）和信号反射。

• 扩展性差：大型系统难以保证所有地线汇聚到单一接地点。

5. 典型应用

• 低频模拟电路：音频放大器、传感器信号调理电路。

• 医疗设备：ECG/EEG前端电路（µV级信号需严格避免地环路）。

• 实验室仪器：示波器、万用表的测量输入端口。

二、多点接地（Multi-Point Grounding）

1. 定义与原理

• 定义：各电路模块就近接地，形成多个接地点，通常通过低阻抗地平面互联。

• 核心思想：通过降低地阻抗，减少高频噪声的电压梯度。

2. 电路结构

• 地平面设计：

  [电路模块1] → 地平面
  [电路模块2] → 地平面
  [电路模块3] → 地平面↓多点连接至PE

3. 优点

• 高频性能优：

  • 地平面提供低阻抗路径（理想情况下阻抗<0.1Ω）。

  • 减少电磁辐射（EMI）和信号回流路径的不确定性。

• 适应复杂系统：适合大规模PCB、高速数字电路。

4. 缺点

• 地环路风险：

  • 若不同接地点电位差大，可能形成环路电流。

  • 需配合等电位设计或隔离技术。

• 设计复杂度高：

  • 需严格控制地平面完整性和分割策略。

5. 典型应用

• 高速数字电路：FPGA、DDR内存（>100MHz信号）。

• 射频系统：天线馈线、微波电路（GHz频段）。

• 工业控制：多板卡机架系统（通过背板地平面互联）

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