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接地设计

接地设计规范和指南 

第一章  概述 

1.1 “地”的定义 

     大地——地球 

     工作地——信号回路的电位基准点（直流电源的负极或零伏点），在单板上可分为数字地GNDD与模拟地GNDA。

数字地连接数字元器件接地端，模拟地连接模拟元器件接端。

 接地

     -48V电源地—— -48V电源正极 

     保护地——连接雷击浪涌过压保护元器件接地端形成的地线。

     静电防护与屏蔽地——连接ESD防护器件接地端、接插件金属外壳和屏蔽装置形成的地线。

     交流保护地——低压变压器中性点接地端引出的地线。

     防雷地——连接建筑物防雷接闪器或铁塔避雷针到接地网的地线。

1.2 “接地”的分类及目的 

1.2.1 接“系统基准地” 

     单板、部件内部各部分电路的信号返回线与电位基准点之间建立良好的连接，其目的是为系统各部分提供公共的参考电平。

1.2.2 接“静电防护与屏蔽地” 

     ESD防护器件接地端、具有金属外壳的元器件的金属外壳、屏蔽装置接到静电防护与屏蔽地，其目的是为ESD电流提供一个低阻抗的泄放通道、确保屏蔽装置的屏蔽效果。

1.2.3 接“大地” 

     安全接大地——电子设备的金属外壳与大地相连接，其目的是防止当事故状态时金属外壳上出现过高的对地电压而危机操作人员的安全，在非事故状态使静电电流泄放到地；      保护接大地——保护地与大地相连接，其目的是为大电流提供一个泄放通道，使大电流分流，保护电路免遭损害； 

    工作接大地——工作地与大地相连接，其目的是为通讯系统提供稳定的基准电位。

1.3 接地设计的基本原则 

接地设计的基本原则是电位相同、内部电路不互相干扰、抵御外来干扰。

各种地电位相同使不同性质的电路有一个统一的基准电位，保证电路功能的顺利实现。

电位相同要求不同的地就近相连。

相互干扰是指较大的泄放电流进入较细的地线回路（例如保护地电流进入工作地回路），从而引起过流、地线上电位波动过大或无用信号的耦合（例如高速逻辑电路对模拟电路的开关干扰）等等，内部电路不互相干扰要求不同的地在较远处相连。

所以，电位相同和不互相干扰是一对矛盾的双方，在何处相连应考虑哪一方占主导地位。

当设备受到的外来干扰（例如：

ESD干扰，EFT干扰，辐射干扰）较大时，提高设备对外来干扰的抵御能力上升为主要矛盾，这时，各种地应合并为大面积接地。

1.4 各种地相连的六种情况 

（1）电位基准一致性要求严格而互相之间干扰很小——各种地就近相连，例如模数转换芯片的数字地和模拟地需直接相连。

（2）电位基准一致性要求较严格而互相之间有干扰——各种接地平面除了在印制板插座处相连外，还要在不同电路的互连信号线集中的地方相连（桥接），以减少信号回路面积。

例如模拟地平面和数字地平面的相连。

（3）电位基准一致性要求不严格而互相之间有较大干扰——各种接地母线在后背板处相连。

例如-48V地与工作地在后背板上（靠近-48V电源输入插座位置）相连。

（4）电位基准一致性无要求而互相之间有大干扰——各种接地母线在接地汇集线或机壳接地螺栓处相连。

例如工作地与保护地在接地汇集线或机壳接地螺栓处相连。

（5）印制板接有金属外壳接插件，在接插件附近各种地（保护地除外）应合并为大面积接地以增大其静电容量。

例如9芯插座（RS232接口）附近各种地（保护地除外）应合并为大面积接地。

（6）印制板上不同电路互连的信号线很多，应遵循“分区不分割”的原则。

例如，互连信号线很多的模拟电路和数字电路应分区布局和布线，但共用一个完整的不分割的接地平面。

1.5 静电防护与屏蔽地 

1.5.1功能单板静电防护与屏蔽地的设计 

功能单板静电防护与屏蔽地GNDE的设计图见1-1。

在PCB每个层面的3个边缘设置静电防护与屏蔽地GNDE母线，宽度3～5mm,每隔10～13mm用过孔连通，在靠近小面板的一边，GNDE母线断开5mm。

GNDE母线与内部电路和工作地隔离2～3mm。

ESD防护器件的接地端、按钮和接插件的金属外壳应尽可能与GNDE母线相连，见图1-1。

图1-1 功能单板静电防护与屏蔽地母线的设计 

1.5.2 后背板静电防护与屏蔽地的设计 

后背板静电防护与屏蔽地GNDE的设计见图1-2。

在后背板的内层面（后背板与机壳结合的层面）4周和外层面4周设置一块环型区域作为静电防护与屏蔽地GNDE母线。

宽度为15mm～20mm，并用适量的过孔连通，内层面环型区域与机壳结合的部分不涂绿油，外层面固定螺丝处不涂绿油，固定螺丝孔要金属化，借助于固定螺丝保证静电防护与屏蔽地与机壳良好搭接。

在后背板上，ESD防护器件的接地端和接插件的金属外壳与GNDE母线相连。

功能单板的GNDE母线通过插座的最上排插针和最下插针与后背板的GNDE母线相连。

后背板应设置完整的一层作为工作地，工作地层4周应与静电防护与屏蔽地重叠5mm以上，以提高设备后背板的屏蔽效果。

但工作地应与固定螺丝孔边缘相距5mm以上。

图1-2 后背板静电防护与屏蔽地母线的设置 

第二章 设备的接地设计 

2.1 立式大机架设备的接地设计 

2.1.1 多层机框的接地 

      一个设备的多层机框，各机框的部件的工作地和保护地应分别引线接到相应的汇流条上而不能靠导轨条、绞链、螺丝等部件去接地。

2.1.2 设备接大地 

（1）工作地、保护地、-48V地连接到机壳接地螺栓，再由机壳接地螺栓用接地线引至接地桩或接地汇集线上，见图2-1。

如果-48V电源与±5V或±12V电源有共地的要求（如用户板），-48V地与工作地在后背板上（靠近-48V电源输入插座位置）再相连。

如果机房接地汇集线和-48V供电线在地面走线，则接地螺栓应设置在机架下方。

或者机架上下方均设置接地螺栓，以方便灵活接线。

（2）对于有多个机架的设备，各个机架的工作地、保护地和机壳接地分别用接地线引到接地桩或接地汇集线上。

（3）对于三相五线制交流供电的设备，机壳要接交流保护地线。

（4）对于无法接大地的载体，如飞机、轮船、汽车，可把其机身的金属壳体当成大地，设备的工作地、保护地和机壳接地直接接到其金属壳体上。

（5）接地线材料为多股铜线，对于安装在移动通信基站的设备，接地线截面积≥35mm²,其他设备，接地线截面积≥16mm²。

接地线两端应接铜鼻子。

（6）设备机壳接地螺栓应足够大（8M），位置要靠近接地汇集线，接地螺栓处应有明显的接地标志。

（7）工作地、保护地、-48V地和设备机壳接地以及建筑防雷接地共用一组接地体，称为联合接地，以避免雷击时出现的地电位反击效应。

2.2 台式设备的接地设计 

（1）塑料外壳，220VAC三芯插头供电 

典型的设备电脑显示器、小型示波器等。

220VAC电源通过开关电源或变压器整流稳压电源变换称为直流电源给设备电路供电。

三芯插头的接地端接开关电源的地、屏蔽壳和变压器的屏蔽壳，内部电路地处于悬浮状态或者一点接三芯插头的接地端，见图2-2和图2-3.塑料外壳的内层如果镀涂导电屏蔽层，也要接内部电路地。

与其他设备互联时，电路工作地作为接口接地，其输出接口芯线通常串接1KΩ电阻防止对地短路，输入接口通常带有隔音电容。

（2）金属外壳，220VAC三芯插头供电 

典型的设备家用PC主机、仪器仪表等。

220VAC电源通过开关电源或变压器整流稳压电源变换成为直流电源给设备电路供电。

三芯插头接地端子引入设备后就近接在外壳上，内部电路地处于悬浮状态或者一点或多点接三芯插头的接地端，见图2-4和图2-5。

与其他设备互联时，电路工作地作为接口接地，输出接口芯线通常串接1KΩ电阻防止对地短路或使用变压器隔离输出，输入接口通常带有隔直电容或变压器。

图2-1 立式大机架设备的接地设计 

图2-2 塑料外壳，内部电路接地处于悬浮状态 

图2-3 塑料外壳，内部电路地一点接三芯插头的接地端 

图2-4 金属外壳，内部电路接地处于悬浮状态 

图2-5 金属外壳，内部电路地一点接三芯插头的接地端 

2.3 射频设备的接地设计 

2.3.1 接地要求 

射频电路工作频率高，容易引起无用信号的耦合，要求隔离不用频率的电路，接地引线短，分布参数小，地电位稳定。

2.3.2 射频设备的接地设计 

（1）射频设备内，由于相互隔离的要求比较严，大多使用金属外壳封装，金属外壳最好整体浇注成型，电路的地线与金属外壳紧密相连，即外壳作为工作地使用。

（2）为防止接地环路过大，接地点的间距应小于最高频率波长的1/100，至少小于最高频率波长的1/20。

（3）射频设备通过螺钉直接和机壳连接，并保证搭接的直流电阻不大于2.5mΩ。

 （4）机壳通过接地线和大地连接。

2.3.3 射频设备天馈系统的接地设计 

（1）天馈系统一般使用7/8或1/2英寸射频电缆和基站或附属设备相连，根据使用射频电缆的类型，对应使用相应的接地卡和防雷地通过螺钉就近连接，为保证接地的可靠性，每一个接地卡的接地线最好对应一个安装孔。

（2）铁塔上架设的波导馈线、同轴电缆金属外护层应分别在上、下端及进入机房入口处外侧就近接地，当馈线及同轴电缆长度大于60m时，其屏蔽层宜在它的中间部位增加一个接地连接点，室外走线架始末两端均应坐接地连接。

 （3）城市内孤立的高大建筑物或建在郊区及山区，地处中雷区（年平均雷暴日数在25～40天以内的地区）以上的无线通信局（站），当馈线采用同轴电缆时，应在同轴电缆引进机房入口处安装标称放电电流不小于5kA的同轴浪涌保护器，同轴浪涌保护器接地端子的接地引线应从天馈线入口处外侧的接地线、避雷带或地网引接。

 （4）基站或附属设备的接地电阻＜5Ω。

2.4 监控设备的接地设计 

2.4.1 监控设备的特殊性及其接地要求 

监控设备可分为三类：

现场监控模块、监控中心设备、视音频设备。

各模块单元由各种电路组成，有模拟电路、数字电路、电源电路，其中，模拟电路有模拟量输入电路、视频接口电路、音频接口电路；数字电路有开关量接口电路、单片机电路、各种通讯接口电路。

监控设备具有下列特殊性：

（1）监控设备接地设计和工程接地形式的多样化。

（2）监控设备通过I/O通道监控被监控设备，而各种工业测量和监控现场电磁环境十分复杂，所以监控设备的I/O通道极易受到共模干扰影响，同时，被监控设备也可能受到干扰而破坏其工作状态。

（3）被监控对象可能存在高电压，对监控设备存在威胁。

 监控设备接地要求设计如下：

（1）监控系统应能监控具有不同接地要求的多种设备，任何监控点的引入都不能破坏被监控设备的接地系统。

（2）监控模块的冰箱外壳应接地良好，并具有抵抗和消除噪声干扰的能力。

 （3）监控系统应有很好的电气隔离性能，不得因监控系统而降低被监控设备的交直流隔离度、直流供电与系统的隔离度。

（4）监控系统应具有良好的电磁兼容性，被监控设备处于任何工作状态下，监控系统应能正常工作；同时监控设备本身不应产生影响被监控设备正常工作的电磁干扰。

2.4.2 模拟量输入电路 

（1）模拟量输入电路示意图见图2-6。

各路输入的模拟信号在PCB上多路装换开关前共地，形成模拟地GNDA，GNDA浮地，不与大地相连。

若被监控设备间不能共地，应有如下电位隔离或共模干扰滤波措施：

1） 采用多个现场监控模块分别测量被监控设备，使被监控设备模拟信号不共地； 2） 在被监控设备或传感器与现场监控模块间加入隔离电量变送器； 

3） 在被监控设备或传感器现场监控模块间加入共模扼流圈，抑制高频共模干扰。

图2-6 模拟量输入电路示意图 

（2）模拟信号经A/D转换后，A/D转换器的数字地引脚应与模拟地引脚相连，数字信号通过光耦CPU电路隔离，隔离抗电强度满足加强绝缘要求；并通过DC-DC模块与主电源部分进行隔离，隔离抗电强度满足基本绝缘要求，保证模拟量电路与其他电路的隔离能力。

基本绝缘、加强绝缘的爬电距离、电气间隙和抗电强度见表2-1。

表2-1 监控产品各工作电压要求的基本绝缘、加强绝缘的爬电距离和电气间隙 

2.4.3 开关量输入电路 

开关量输入电路示意图见图2-7。

各路输入的开关量信号分别接到光耦检测电路，各路开关量的地分别隔离，并分别通过光耦与CPU电路部分进行隔离，隔离抗电强度应满足加强绝缘要求。

并设计足够的爬电距离和电气间隙，保证开关量电路与其他电路的隔离能力。

绝缘距离设计参见表2-1。

图2-7 开关量输入电路示意图 

2.4.4 开关量输出电路 

开关量输出电路示意图见图2-8。

各开关量分别通过继电器输出，各路开关量的地也分别隔离，并通过继电器及光耦与CPU电路部分电位隔离，隔离抗电强度满足加强绝缘要求：

通过DC-DC模块与主电源部分电位隔离，隔离抗电强度满足基本绝缘要求。

并设计足够的爬电距离和电气间隙，保证开关量输出电路与各电位（包括保护地）间的隔离能力。

绝缘距离设计参见表2-1。

图2-8 开关量输出电路示意图 

2.4.5 视（音）频模拟电路 

（1）视（音）频模拟电路采用多点接地方式连接基准单位，并通过接地桥与CPU电路数字地相接； 

（2）视（音）频模拟电路的基准电位可设计跳线或可拆卸接地簧片实现接大地或不接大地。

现在应用优先考虑良好接大地，以减少对外骚扰并提高抗扰性，除非现场存在强烈地环路干扰。

2.4.6 监控设备接大地 

（1）各设备应在机房连接地汇集线，与大地的接地电阻要求小于4Ω；      

（2）设备信号及通讯线应采用屏蔽电缆，接地情况见第五章 线缆接地；    （3）设备配置的防雷器应就近保护地安装；    （4）设备接地电缆额定电流不低于设备额定电流的二倍，并采用铜鼻子与机房的接地汇集线连接； 

   （5）对于图像采集系统，由于图像采集设备已接地，摄像机的供电电源中保护地通常不接，以免形成地环路干扰视频效果。

   （6）由于计算机、图像设备、传输交换设备等均直接接地，系统集成项目设备间一般存在地环路，若发现不可接受的干扰，可采用隔离、滤波、浮地、电容接地等技术措施解决，但要注意不能降低系统的性能、安全性和防雷能力。

2.5 浮地设备的接地设计 2.5.1 浮地的基本概念 

对电子通讯设备而言，浮地是指设备地线系统或电路的地线在电气上与大地绝缘，相对于大地是悬浮的。

浮地有下列几种应用类型。

（1）无法与大地相连接的场合，如壁挂式的小型设备、台式小型终端设备。

（2）在磁耦合而没有电气连接的电路中（如变压器耦合的内部电路）。

（3）为避免接地环路形成的浮地电路，如通过变压器、光电耦合器隔离形成的电路。

2.5.2 浮地设备的特殊问题 

浮点设备会出现一些特殊问题：

（1）易产生静电荷的积累，引起静电放电。

（2）在遭受雷击浪涌信号干扰时，由于不能泄放到大地，容易出现故障甚至损坏设备。

2.5.3 浮地设备的接地设计 

（1）基本原则   

    由于浮点设备或电路不与大地连接，如何提高设备的ESD抗扰性和雷击浪涌抗扰性就成为设计的关键。

基本原则是将接口与内部电路实现有效的隔离。

（2）电路划分和布局 

    把电路划分为接口电路和内部电路，使接口电路和内部电路布局在不同的区域，使敏感器件远离接口器件。

 （3）地线设置 

   1）由于设备有借口，不可避免地会引入干扰信号，应在靠近接口的局部区域设置保护地平面，接口浪涌保护器件和ESD防护器件的接地脚接到保护地平面上，由保护地平面吸收干扰信号。

   2）为了给内部电路提供公共的参考电平，应设置工作地平面，并遵循“分区不分割”的原则，不同的电路分区安排，工作地平面不分割保持完整，减少地电位的波动，提高内部电路的抗干扰能力。

  （4）有效隔离       

     由于接口保护器件没有接大地，受到干扰时，保护地平面电位波动很大。

工作地平面应与保护地平面隔离足够距离。

以避免干扰信号串入。

  （5）信号耦合 

     接口电路与内部电路通过接口变压器或光电耦合器实现信号的耦合。

  （6）内部电路的抗干扰措施 

     1）恰当的布局和布线使信号线尽可能短。

将敏感的元器件（一般是信号处理芯片、控制芯片、FPGA等）尽量布局在离接口较远的地方；       

2）恰当的层面安排使信号回路面积可能小； 

3）敏感信号线（如复位信号线和低电平信号线）尽可能在信号里层走线，且应该

处于相邻层厚度最小的层上，领近忧完整的参考平面； 

4）敏感器件之间的较长的电源线或信号线宜每隔一定间隔与地线的位置对调。

以

抵消干扰信号的影响。

5）在元器件的电源引脚和接地引脚之间安装高频旁路电容和10µF的钽电容。

2.5.4设计案例 

2.5.4.1 问题描述和原因分析 

     某通讯设备，现场无法接大地，是典型的浮地设备。

该设备单板上有RS232接口、10Base-T接口和E1接口，初期设计，接口电路采用了保护器件，但是，ESD防护试验和雷击浪涌保护试验均通不过。

     分析初期设计的PCB图，由于该设备是浮地设备，内部电路与接口电路没有实现有效的隔离，静电干扰信号和浪涌干扰信号引起电脑故障。

2.5.4.2 设计改进和实验结果 

     对原设计进行改进，单板上接口电路和内部电路实现了有效的隔离，分别设置了保护地平面和工作地平面，工作地与保护地隔离17mm，由接口变压器实现信号的耦合，见图2-9。

改进后，该设备的各种接口顺利通过了公司规定的ESD防护试验和雷击浪涌保护试验。

图2-9 浮地设备的接地设计示意图 

第三章 PCB的接地设计 

3.1 共模干扰、信号串扰和辐射 

PCB中，理想的工作地是电路参考点的等电位平面。

但在实际的设计中，工作地被作为信号电流的低阻抗回路。

这样就会产生常遇到的三个问题：

共模干扰、信号串扰和辐射。

3.1.1 共模干扰 

工作地（地线或地平面）具有一定的阻抗，电流流经时会产生压降。

流经工作地的电流主要来自两个方面，一是信号的回流；另一个是信号状态发生改变时器件电源的瞬态电流。

典型的信号和电源共地逻辑电路PCB上共模电压的产生见图3-1。

其中，Vnoise是电流流经工作地时产生的共模噪声电压，该电压引起地电位的波动造成共模干扰。

图3-1 PCB上共模噪声电压的产生 

3.1.2 串扰 

PCB上相邻的印制线之间存在互感和耦合电容，当信号电压或电流随时间快速变化时，会对周围的信号产生不可忽视的串扰。

见图3-2，图3-2（a）是串扰的等效电路。

图3-2（b）是集总参数下串扰（Crosstalk）与线间距D和印制线离参考平面高度H之间的关系。

参考平面是与信号线邻进的平面，可以是地平面也可以是电源平面。

图3-2 串扰 

3.1.3 辐射与干扰 

PCB上的快速变化的电流回路，其作用相当于小回路天线，它会向外进行电磁场辐射。

图3-3（a）属于差模辐射方式。

辐射的电场强度与回路中电流的大小Io、回路的面积A、电流频率f的平方成正比。

同理，PCB上的信号回路（小回路天线）也会接收周围快速变化的电磁场，而产生干扰电流。

如图3-3（b），当出入PCB的电缆上存在共模电流时，会产生共模辐射。

辐射的电场强度与共模电流Icm的大小、共模电流的频率f、线的长度L成正比。

同时，它也会对PCB上的电路产生共模干扰。

图3-3 辐射

共模干扰、串扰和辐射干扰都与PCB的接地设计有密切的关系。

一个好的设计可以有效控制信号回路的阻抗和回路面积，减小公共阻抗耦合，降低干扰电流的幅度。

3.2 PCB接地设计原则

 3.2.1 确定高di/dt电路 

PCB设计开始时，首先要确定电路中可能的干扰源。

一般是高di/dt电路，如：

时钟、总线缓冲器/驱动器、高功率振荡器。

在设计时注意隔离和屏蔽。

3.2.2 确定敏感电路 

确定电路中易受干扰的敏感电路，如：

低电平模拟电路、复位电路、高速数据和时钟。

在设计时注意隔离和保护。

3.2.3 最小化地电感和信号回路 

信号线应该尽量短，信号回路面积尽量小。

对速度较高的电路应采用有地平面的多层板。

关键电路包括器件和走线，应尽量远离板的边缘。

板的边缘存在较强的干扰场。

3.2.4 地层分割和地层不分割的合理应用 

对于混合电路，若数字地与模拟地分割，不会出现或能够很好解决信号跨越和信号回路的问题，可以采用分割。

否则，建议采用“分区但不分割”的方法。

即：

布局和布线时严格区分数字与模拟区域，但地层并不分割开。

避免信号跨越而形成大的信号回路。

分割地和电源平面时，特别留意关键网络的信号回路。

3.2.5 接口地保持“干净”，使噪声无法通过耦合出入系统 

出入PCB板信号，特别是通过电缆连接的信号易将噪声耦合出入系统，注意保持I/O地不受到共模干扰。

接口部分的地尽量采用平面。

3.2.6 电路合理分区，控制不同模块之间的共模电流 

对于纯数字电路，应该注意按电路工作速率高、中、低以及I/O进行分区。

以减少电路模块之间的共模电流。

3.2.7贯彻系统的接地方案 

PCB上的接地设计，应该贯彻设备系统的总体接地方案。

特别是单板、背板，以及与机框机架需要搭接的地方，PCB上应该具有系统要求的安装孔、喷锡或采用其他镀层的导电接触面。

3.3 双面板的接地设计 

在进行双面板设计时，首先要构思好电源和地线的安排，然后才确定布局。

布线时最安全的方法是，从地线和电源开始，接着布需要与地非常靠近的关键网络。

电源和地线有以下两种结构：

3.3.1 梳形电源、地结构 

梳形（Comb）也称指形（Finger）结构，见图3-4，地线和电源线由PCB板的一边引出，形状象梳子，由图可以看出信号的回流都必须折回根部，回路面积大。

所以，任何电路都不宜直接采用梳形的地结构。

梳形电源、地结构的唯一优点是由于电源、地都在PCB的同一层，有较完整的布线空间。

缺点是信号的回路面积大。

但只要对较重要的信号加以地保护，布线完成之后将空的地方都敷上地铜皮，并用多个过孔将两层的地连接在一起，这个缺陷可以得到弥补。

这种结构只适用于低速电路、PCB上信号的走向较单一、而且走线密度较低的情况。

图3-4 梳形电源、地结构

3.3.2 栅格形地结构 

栅格形地结构，见图3-5，电源和地分别从PCB的顶层和底层，以正交方式引出，在电源和地交叉处放置去耦电容，电容的两端分别接电源和地。

与梳形比较，栅格形地结构信号回路较小。

栅格形地结构适用于低速的CMOS和普通的TTL电路，但应该注意对较高速的信号加以足够的地保护，使回路面积和回流路径的电感达到最小。

图3-5 栅格形电源、地结构

3.4 多层板的接地设计 3.4.1 多层板的好处 

对于RF电路和高数字电路，或者器件的组装密度较高的设计，必须采用多层板（层数大于等于4），电源和地采用平面的形式。

其好处有三个：

（1）为信号提供较稳定的参考电平和低电感的信号回路，使所有信号线具有确定的阻抗值； 

（2）为电路提供低电感的工作电源供电； （3）可以控制信号间的串扰。

3.4.2 信号回路 

3.4.2.1 信号回流路径 

当信号频率很低时，信号的回流主要沿最低电阻路径，即几何最短路径，见图3-6（a），图中的虚线表示信号的回流。

当信号达到一定频率（F＞1KHz）时，信号的回流集中沿最低电感路径，见图3-6（b）。

返回电流主要沿印制线的下方回流。

图中的虚线表示信号的回流。

图3-6 信号回流路径 

3.4.2.2 回流分布 

    信号