正確的接地是電子系統安全性和電磁相容性設計的一個重要方面。在發生意外故障、電氣瞬變或電磁干擾的情況下，地面起著至關重要的作用。正確的接地策略也能使工程師更有效地控制不必要的輻射發射。
另一方面，不正確的接地會破壞產品或系統的安全性和電磁相容性。在過去幾十年中，接地不良已成為與EMC相關的系統故障的主要原因。
制定一個良好的基礎策略是一個相當直接的過程。因此，人們可能會想知道為什麼這麼多系統接地不當。答案很簡單：工程師經常把地面的概念和另一個重要的概念，電流返回混淆。數位電子產品中的電流回流導體通常被標記為“接地”或“接地”，這一事實可能令人困惑。當電流回流導體被視為接地導體時（或當接地導體被用於迴流時），其結果往往是設計中存在嚴重的電磁相容性問題。
地面的定義
一個好的接地策略首先要清楚地理解地面的目的。首先，接地作為電路或系統的零伏基準。這一點在幾十年前就已經很清楚了。1992年，美國國家標準協會（ANSI）將接地定義為如下［1］，
4。152–接地（1） 將裝置外殼、框架或底盤連線到物體或車輛結構上，以確保共同電位（2） 電路或裝置與大地或某種較大程度上代替大地的導電體的連線。
眾所周知，接地是一種參考電位，接地導體通常是非載流導體。
圖1：美國110伏電源插座。
在美國，110V接地插座有三個端子，如圖1所示。熱端子的標稱電位為110Vrms，並提供電源電流。中性端子的標稱電位為0 Vrms，用作電源電流回路。接地端子的標稱電位也為0 Vrms，但在正常情況下不攜帶電流。中性端子和接地端子都連線到回電氣服務箱中同一點的導線（建築物外與接地電氣連線的點）。
由於中性線和地線連線在同一個地方，因此它們在電氣上是可互換的。事實上，如果它們在插座處用一根線連接回維修箱時短路，則很難檢測出任何差異。那麼為什麼要用兩根電線而不是一根呢？簡單的回答是，接地和電流回路是兩個獨立的功能，通常不相容。在導體中流動的大量電流會阻止導體成為可靠的參考電位。
關於安全接地和電磁相容，最重要的一點也許是接地不是電流回流。地面返回和電流返回都是非常重要的概念，但它們不是一回事。地面不是一條使電流返回其源的路徑。接地基本上是產品電路和系統的零伏基準。地面概念在安全設計和電磁相容設計中起著至關重要的作用。
安全接地的重要性
設計安全電氣產品和系統的一個重要部分是瞭解不安全電壓可能出現在不同導電錶面的時間和地點。從安全形度來看，接地是零伏基準電壓，每一根導線上的電壓就是它的電壓和地之間的差。對於建築物，地面參照通常是建築物下的土壤（或字面上是建築物下面的“地面”）。這很方便，因為地球相對較大，所有大型金屬結構（如穿過建築物邊界的管道和電纜）都很容易連線或參照接地。
建築物的地面通常是金屬棒，插入電力服務入口附近的泥土中。這些接地棒連線到斷路器箱，透過非載流導線將接地分配到所有電源插座。任何這樣的建築都是由金屬管道或金屬管道連線而成的。
通常要求具有大量外露金屬表面的電器或電氣產品將金屬接地至接地線，以確保相對於建築物中的任何其他接地金屬，其不會達到不安全的電位。如果發生的故障導致電源導線和外露金屬之間短路，斷路器箱的接地連線可確保吸收大量電流。這會迫使斷路器斷開並切斷裝置的電源。
圖2。圖示GFCI的基本操作。
需要注意的是，這種確保產品安全的方法依賴於從電源插座接地到斷路器盒的良好連線。舊電源插座可能缺少接地端子，甚至接線不當的新插座也可能缺少接地連線。因此，許多產品採用的設計不依賴於接地連線來實現安全操作。雙重絕緣產品的設計旨在透過消除外露金屬和/或確保斷路器在發生短路時跳閘來確保電源連線不會對外露金屬短路。
還有越來越多的電氣產品帶有嵌入式接地故障斷路器（GFCI）裝置。當電源輸入線和電源迴流線之間存在電流不平衡時，GFCI透過感應進行操作。當電流不平衡超過安全閾值時，GFCI會斷開電源。
安全接地可能與EMC接地相同，也可能不同，但安全接地是設計EMC時需要考慮的一個重要因素。例如，在醫療產品和工業控制中，出於安全考慮，電路接地通常需要與底盤接地隔離。這給EMC工程師帶來了一個獨特的設計挑戰，他們通常希望看到所有大型金屬物體都能在高頻下良好連線。
電磁相容接地的重要性
電磁相容問題通常是由兩個大金屬物體在不同電位下產生的。任何兩個諧振導體之間只有幾百微伏的電位差，就可能導致產品超過輻射發射限值。類似地，兩個未連線好的導體之間感應的電壓會導致輻射抗擾度問題。
接地基本上是定義一個零伏基準，並透過低阻抗、非載流連線將金屬物體或電路連線到該基準的藝術。適當的EMC接地策略可確保大型金屬結構不會相互驅動，從而導致意外的排放或抗擾性問題。連線金屬物體使其保持相同的電位，並將所有外部連線引至相同的零伏接地，是確保大多數產品電磁相容性的關鍵步驟。
地面構築物
幾乎所有的電子裝置和系統都有接地結構。在建築中，它是地線、管道和金屬結構。在汽車和飛機上，它是金屬框架或底盤。在大多數計算機中，它是金屬支撐結構和/或外殼。
接地結構用作本地零電壓基準。任何大的和金屬的東西都不應該被允許具有與地面結構有顯著不同的電位。這通常是透過在感興趣的頻率將所有大型金屬物體與地面結構相結合來實現的。它也可以透過充分隔離大型金屬物體並確保沒有可能的源在它們之間形成電位來實現。
圖3。帶有兩個太陽能電池陣列的衛星。
例如，以圖3所示的衛星為例，它的地面結構是金屬外殼，容納了大部分電子裝置。為了耦合任何重要的電磁能量進入或離開衛星，有必要在地面結構和其他具有重要電氣尺寸的物體之間建立電壓。在頻率低於幾百兆赫的情況下，唯一具有重要電氣尺寸的導體（地面結構除外）是兩個太陽能電池板陣列，可能還有連線這些陣列與衛星內部電路的任何電線。
將太陽能電池板陣列與外殼緊密相連，可確保大型導體之間不會出現明顯的電壓，這些導體可作為無意發射或接收噪聲的天線。連線線也需要連線到接地結構上。這通常透過並聯電容器來實現，以便在噪聲頻率下建立連線，同時允許功率和訊號電流不衰減地流動。
本例中應用於衛星的接地策略可用於幾乎任何其他具有地面結構的裝置或系統。基本原理是地面結構本身代表了一個無意中的天線的一半。只有在接地結構和另一個具有重要電氣尺寸的導電物體之間產生電壓時，才會發生輻射耦合。將所有具有重要電氣尺寸的物體連線到地面結構上，可防止它們成為意外天線的另一半。
這種接地策略不僅對滿足輻射發射和抗擾度要求很重要，而且在滿足傳導發射和抗擾度要求方面也起著關鍵作用，因為接地結構既是零伏基準，又是潛在干擾噪聲電流的首選路徑。
地面結構的三個要點是，
接地結構必須在感興趣的頻率下是一個良好的導體，但它不必電小。偶爾，你可能會聽到有人說地面在高頻下不存在，因為地面是一個等勢面，在一個表面上相距四分之一波長的兩點處的電勢是不一樣的。這個論點是沒有根據的，因為地面結構不一定是等勢面。事實上，兩個遙遠點之間唯一可定義的電位差的整個概念在高頻下就不成立了。對於大多數的安全接地系統來說，60赫茲的接地系統當然不是安全的。地球在洛杉磯的潛力和在紐約的不一樣，這無關緊要。接地結構用作區域性零電壓基準。它們不需要電小。
接地結構不必封閉電子裝置。外殼不是遮蔽結構。它只是一種大而金屬的東西，作為任何其他大的金屬的區域性零伏參考。
地面結構不能攜帶有意的電流（至少不在感興趣的振幅和頻率處）。在導體上或導體內流動的電流導致磁通量包裹導體。包裹導體的磁通量在導體上產生電壓。在高頻下，這種電壓可能驅動接地結構的一部分相對於另一部分。
接地結構可能以不影響其作為接地結構的有效性的頻率和振幅攜帶電流。例如，大多數汽車利用車架作為燈和非關鍵感測器在極低頻下工作的迴流路徑。這並不會降低框架在更高頻率下作為地面結構的能力。
需要注意的是，雖然接地結構不能攜帶有意電流，但它預計會攜帶故障電流和感應噪聲電流。事實上，接地結構的正確利用取決於它以足夠低的阻抗承載無意電流以控制無意電壓的能力。
接地導體
接地導體是將大型金屬物體連線到接地結構上的連線件（例如螺釘、螺栓、墊圈、電線或金屬帶）。與接地結構一樣，接地導體不攜帶有意電流。它們的作用是使兩個金屬結構之間的電壓保持在臨界值以下。
接地導體必須具有足夠低的阻抗（即電阻加上感應電抗），以確保其阻抗乘以其可能攜帶的最大電流低於可能導致EMC問題的最小電壓。例如，假設遮蔽雙絞線的遮蔽透過1cm聯結器引腳連線到接地結構，如圖4所示。雙絞線攜帶100Mbps偽差分訊號，共模噪聲電流為100MHz時為0。3mA。驅動電纜遮蔽層相對於板的電壓大約等於遮蔽層中返回的電流乘以遮蔽連線的有效電感。假設聯結器引腳的有效電感約為10毫安（即1毫安/毫米），驅動電纜遮蔽層相對於接地結構的電壓約為2毫伏。在許多情況下，這足以超過100 MHz時的輻射發射限值，需要採取措施降低共模噪聲或降低接地導體的連線電感。
圖4。遮蔽連線到地面結構的雙絞線。
電偶腐蝕
當用螺栓將兩個金屬平面連線在一起進行接地連線時，連線的電阻可能比電感更重要。尤其是當它們之間的介面被腐蝕時。
電偶腐蝕電位是衡量不同金屬接觸時腐蝕的速度。腐蝕取決於電解液的存在，如水；腐蝕速率取決於許多因素，包括電解液的性質。
圖5。常見金屬的陽極指數。
圖5中的圖表在名稱旁邊列出了幾種常見金屬的陽極指數。這個引數是測量金屬和金之間的電化學電壓。為了求出一對金屬的相對電壓，減去它們的陽極指數，如圖所示。根據環境的不同，電壓差大於0。95伏的材料之間的粘結通常需要電鍍或墊圈來保持粘結的完整性。
接地與電流回路
如本章開頭所述，接地和電流回路是兩種截然不同的功能。不幸的是，在實際產品中，許多電流回流導體都貼上了“接地”的標籤。這造成了很大的混亂，因為與地面相關的規則適用於當前回報，反之亦然。
例如，圖6中的部分電路板示意圖有四種不同的理由。一個部件與訊號或電源一起工作，這些訊號或電源參考其中三個接地。這個電路的設計者不太可能想要四個不同的零伏基準。事實上，這四個接地是透過跳線連線的，這表明設計者的目的是要有一個零伏參考電壓。
圖6。四個接地的區域性示意圖。
圖7所示的電路板佈局顯示了一個層，其中有兩個分別標記為“GND”和“AGND”的網路。隔離接地使系統中的所有大型金屬物體很難保持相同的電位。一般來說，只有在出於安全原因需要時才應進行。那麼，為什麼這些“基地”是孤立的？
圖7。一層有兩個接地的電路板佈局。
在上面的兩個例子中，“地面”網被孤立的原因是因為它們不是真正的地面。它們是電源或訊號電流的迴流導體。設計師們不希望孤立的零電壓基準。他們隔離了電流回流導體，試圖避免公共阻抗耦合。
大約50年前，當數位電路剛剛開始進入收音機和高保真音響裝置等產品時，電子設計人員很快就認識到，當音訊電路共用相同的電流回流導體時，數字噪聲可以耦合到音訊電路中。例如，考慮圖8a所示的簡單板。它有兩個數字元件，一個是數模轉換器，一個是放大器，用來在模擬訊號透過聯結器傳送出去之前對其進行放大。兩個數字元件之間的單端數字訊號使用地平面作為返回路徑。在千赫茲及以下頻率下，返回到飛機上的電流分佈大致由圖8b中的綠線表示。從放大器返回到D/A轉換器的低頻電流沿著圖8b中藍線大致表示的路徑進行。
圖8。左側（A）的簡單混合信號板和接地層上的近似迴流分佈（b）。
目前的分佈顯然有很多重疊。這會導致共阻抗耦合，因為一個電路中的電流與另一個電路中的電流共用一個接地層電阻。如果共用接地層電阻為1MΩ，數字電流為100mA，則類比電路中感應的電壓為100μV。
50年前，設計音訊電路的工程師發現，由於數位電路的公共阻抗耦合，音訊電路中感應的電壓通常是不可接受的。人們可以聽到聲音訊號中的數字噪音。
顯而易見的解決方案是將數字訊號返回電流與模擬訊號返回電流隔離開來。超過兩層的電路板在當時並不常見，因此一種流行的方法是在當前的返回平面上設定間隙。圖9顯示了一個例子。
圖9。一個混合信號板，左邊的電流返回面上有一個間隙（A），接地層上有近似的迴流分佈（b）。
由於低頻電流不能流過間隙，電流會在間隙的兩側重新定向。這降低了主要由模擬電流使用的平面區域中的數字返回電流密度，並大大降低了公共阻抗耦合。
在20世紀60年代和70年代相對簡單的兩層電路板上，在類比電路和數位電路之間留出“接地”平面的間隙，通常是消除由公共阻抗耦合引起的不可接受串擾的有效方法。不幸的是，它工作得很好，以至於人們最終產生了這樣的想法：地面飛機應該總是在數位電路和類比電路之間留有空隙。一條設計規則誕生了，董事會設計師喜歡設計規則。五十年後，許多董事會設計師仍然堅持這一設計規則，儘管它不再有意義。事實上，對於今天的電路板來說，一個更好的設計規則就是永遠不要在類比電路和數位電路之間留出接地層間隙。
為了說明原因，請考慮圖10中的電路板佈局。它具有與上一個示例相同的元件，並且與上一個示例一樣，它在類比電路和數位電路之間留出了接地層間隙。然而，在這種情況下，這個間隙圍繞著類比電路的三個側面。
圖10。一個糟糕的混合信號板佈局在左邊（A）和一個更好的替代佈局在右邊（b）。
如前一個例子中所做的，繪製返回電流圖將說明數字和模擬迴路電流之間的良好隔離。但是之前的迴流圖並沒有說明飛機上所有的海流。請注意，有四條數字記錄道將D/A轉換器連線到其中一個數字元件。這些訊號也需要回流。這些電流必須從D/A元件的接地引腳傳到數字元件的接地引腳。這條路徑以前很短而且無關緊要，但現在間隙迫使這些電流與模擬電流共享同一平面區域。這種差距不但沒有使事情變得更好，反而可能使事情變得更糟。
正確定位類比電路和數位電路之間的間隙至關重要。五十年前，要確定這個缺口的正確位置往往很困難。在今天的高密度板中，對一個根本不存在的問題來說，在平面上開缺口通常是不可行的，也是完全不必要的解決辦法。
在今天的電路板設計中，至少有三個原因可以解釋為什麼不需要在地平面上開孔：
與50年前相比，數字和模擬訊號的工作頻率要高得多。
在頻率高於100khz時，接地層上的迴流電流僅限於訊號軌跡正下方的區域。
因為它們不會在飛機上展開，所以在飛機上開個缺口並不能提高電路之間的隔離度。
即使在kHz或更低的頻率下，
電路板接地板電阻小於1MΩ/平方
。 這意味著“噪聲”電路將安培電流注入接地層，只能在共用同一平面的其他電路中產生毫伏（最壞情況下）的電壓。在相對較少的情況下，這種水平的噪聲耦合可能是一個問題。
在不能容忍毫歐姆耦合的情況下，
最好將回報隔離在不同的層上
。 例如，在我們前面的例子中，耦合問題的最佳解決方案是不將平面隔開。圖10b展示瞭如何在頂層使用跡線返回模擬電流，從而完全避免了常見的阻抗耦合問題。在具有大量模擬和數字迴路的電路板中，必須在低頻下隔離這些電路板，通常需要將它們連線在高頻上，以防止輻射發射問題。在相鄰層上路由隔離的返回可以更容易地在它們之間建立良好的高頻連線。
注意，圖10b中的模擬電流返回軌跡透過位於D/a接地引腳附近的單個通孔連線到數字電流返回平面。通孔不攜帶模擬或數字返回電流。它的唯一功能是確保模擬和數位電路具有相同的零電壓基準。換句話說，通孔是接地導體，而平面和跡線是電流回流導體。
單點和多點接地
假設圖10b中的模擬電流返回軌跡有兩個到數字電流返回平面的過孔連線，如圖11所示。它可以在軌跡上返回，也可以在飛機上返回。電流將根據每個路徑的電阻進行分流，允許大量模擬電流返回到平面上。同樣，一些數字電流將在模擬電流返回軌跡上流動。破壞了隔離，重新引入了共阻抗耦合。
圖11。在兩個隔離電流回路之間增加第二個連線可能意味著它們在低頻下不再被隔離。
一般來說，如果兩個電流回路連線在多個點上，則它們在低頻下不會被隔離。圖10b中的過孔連線是單點接地的示例。單點接地是電磁相容中的一個重要概念，但設計者往往誤解了這一點，因為他們沒有正確區分電流回路和接地導體。
圖12單點接地
圖12說明了單點接地的概念。隔離電路或系統透過非載流接地導體連線到單點。圖13顯示了另一個實現，其中接地導體連線在多個點上，但它們仍然以一個點為基準。其中一個例子是建築物的電源接地。每個接地裝置都有一個專用的佈線路徑連線到建築電氣服務，但是平行路徑是由管道連線或外部金屬表面接觸的產品建立的。在多個點連線接地導體不會降低接地方案的有效性。
圖13。另一個單點地面實施。
雖然單點接地是確保隔離電路具有相同零電壓基準的一個重要概念，但如果接地導體攜帶訊號或電源電流，它就不起作用。例如，在圖14中，中間和右側電路沒有被隔離。從負載返回到中間電路電源的電流現在可以選擇透過預期的藍色導體返回，或者透過附加連線到右側電路，然後透過“單點”接地返回中間電路。
圖14。這不是單點接地。
圖14中從單點連線到中間電路到右側電路再到單點連線的路徑有時被稱為接地迴路。接地迴路通常被認為與單點接地不一致，通常被認為是公共阻抗耦合的來源；但這是不正確的。圖13有一個接地迴路，它仍然是一個良好的單點接地實現。圖14中的接地環路包括一個根本不接地的段。中間電路中的藍色導體在電路板佈局中可以稱為“接地”，但它是電流回流導體。
一般來說，只要迴路中的所有導線都是接地導線，那麼接地迴路是正常的。如果迴路中的一個或多個導體是低頻電流回流導體，那麼迴路中的所有導體都將攜帶一部分迴流電流。這可以促進共阻抗耦合。
圖15展示了另一個誤用單點地面概念的例子。這個例子來自一個製造商的應用說明，建議客戶如何佈置三相電機驅動器。這個想法是為了確保所有三相具有與電機相同的零電壓基準。該實現要求將所有開關電流和電機電流返回到同一點。
圖15。單點電流返回（壞主意）。
當然，這不是單點接地。這是一個單點電流回路。儘管在原理圖和電路板佈局中，所有導線都標有地線，但它們不是地線。它們是電流回流導體。
將所有的開關電流傳送到佈局中的一個點，基本上確保了連線的電感將高於其他情況。它確保了高共模阻抗和相間互感。它還可以確保任何相位或電機都沒有相同的零電壓基準。
基本上，重要的是要記住單點接地是確保隔離電路和裝置具有相同的零電壓基準的重要策略。另一方面，單點電流反饋通常是電磁耦合問題的根本原因。
圖16多點接地
單點接地策略的替代方案是多點接地策略。一個例子如圖16所示。地面不是一個單點，而是在本地定義的。這基本上是前面描述的地面結構概念。
通常，採用接地結構的系統將未在多個點與接地結構隔離的電路和模組連線起來。圖17給出了一個簡單的例子。
圖17混合接地策略
在這種情況下，中間和右側電路之間的連線允許低頻迴流電流流過接地結構。在這些頻率下，該結構更準確地描述為電流回流結構。當提出接地策略時，重要的是要認識到導電結構在某些頻率下可以起到接地的作用，而在另一些頻率下可以起到電流回流的作用。
例如，在汽車中，圖17中的中間和右側電路可能分別代表制動控制模組和車輪轉速感測器。每個模組都接地至車輛框架，以滿足高頻輻射和發射要求，但兩個模組都不允許高頻電流回流到車架上。所以在高頻下，框架是一個多點接地結構。
在較低頻率下，關鍵通訊將使用差分訊號來執行，以保持訊號電流遠離幀（幀電流遠離訊號）。然而，電源接地不一定是隔離的。透過12伏電源線進入模組的電源電流將透過所有可用路徑返回電池。因此，在低頻（如直流電-千赫）下，幀不是接地結構，而是電流返回結構。由於一個模組在機架上流動的電流安培數可能會在其他模組的接地連線上產生100毫伏的電壓，但大多數模組在非常低的頻率下不會受到100毫伏的影響。
假設圖17中左邊的電路表示內燃機啟動機的功率分配。當發動機起動時，這個電路可能會消耗幾百安培的電流。允許這些電流回流到車架上，可能會在使用車架作為電源電流回流導線的模組中引入不可接受的噪音水平。在這種情況下，可以決定將回路與啟動機電機隔離，並在一個點將其連線到機架上。
接地策略
也許最重要的一點是關於接地策略，無論是針對EMC還是安全，所設計的產品應該有一個。當接地導體被視為電流回流導體或電流回流導體被視為接地導體時，通常會出現問題。
正確的電流回報策略
通常關注於為高頻電流提供低電感路徑，並保持對低頻電流路徑的控制。
正確的接地策略
重點識別和保護每個電路和系統的零電壓基準。
跟蹤導體主要是作為接地功能還是電流返回功能的一種技術是對其進行適當的標記。例如，將與接地結構的連線稱為“機箱接地”或“機箱接地”，但使用術語“數字迴路”或“D-RTN”指的是電路板上的平面，其主要功能是將數字電流返回至其源。在制定一個良好的基礎策略的過程中，一半的工作是正確地認識和維護真實基礎的完整性。
接地策略的另一個重要方面是確定接地結構。在系統級，接地結構總是金屬外殼或框架（如果有的話）。在板級，如果板連線到框架，那麼板接地應該是連線發生的地方。如果沒有機架，或者沒有靠近機架，通常應在其中一個聯結器引腳（通常為0伏電源輸入）處定義板接地。
一般來說，所有大型金屬物體（如電纜、大型散熱器、金屬支架等）應與地面結構連線。如果這不可能，它們必須與地面結構充分隔離，以保證不會發生嚴重的不必要的耦合。醫療產品和許多高壓系統要求機架或底盤與任何載流電路之間嚴格隔離。不幸的是，附近的高頻電路相對容易在這些結構中產生微安培電流，這足以引起輻射發射問題。為了防止這種情況的發生，通常需要限制電路頻寬、遮蔽電路和/或增加電路與機架之間的距離。