开关电源中 “地” 的分类

安全地的主要作用是保障人身安全和设备的稳定运行。在电气设备中，当发生绝缘损坏等故障时，可能会使设备外壳带电，若没有安全接地，人体一旦接触到带电外壳，就会发生触电事故。通过将设备外壳与大地进行可靠连接，当出现故障电流时，电流能够迅速通过接地导线流入大地，因为大地的电位被视为零电位，且接地电阻通常很小，根据欧姆定律，这样就可以保证设备外壳的电位接近大地电位，从而避免人体触电。例如，在家庭用电中，三孔插座的最上方插孔就是连接安全地的，所有使用三脚插头的电器，其金属外壳都通过插头与安全地相连，为用户提供了基本的安全保障。

交流地

交流地通常指的是交流电的零线。在电力系统中，零线是三相四线制或三相五线制中的重要组成部分。它的作用是为交流电提供回路，使得电流能够在电源和负载之间形成完整的通路。然而，交流地并非理想的零电位，在实际运行中，由于线路阻抗等因素的影响，零线上会存在一定的电流和电压波动，这就可能会产生噪声。例如，在一些大型工厂的供电系统中，由于大量的电气设备同时运行，零线电流可能会较大，导致零线电压出现波动，这种波动会通过电源线路传导到其他设备中，对设备的正常工作产生干扰。因此，在开关电源设计中，交流地应与其他类型的地，特别是安全地和信号地，进行严格区分，以避免噪声的引入。

直流地

直流地是直流电路的零电位参考点，它为直流电路中的各种信号和功率传输提供了基准。在开关电源中，直流地是整个电源系统的重要基础，它的稳定性直接影响到电源输出的稳定性和可靠性。例如，在一个直流稳压电源中，所有的电压调节和控制电路都以直流地为参考，通过对输入电压与直流地之间的电位差进行调整和控制，来实现稳定的直流电压输出。如果直流地受到干扰或电位发生波动，那么电源输出的直流电压也会随之波动，可能导致负载设备无法正常工作。因此，确保直流地的稳定和可靠连接是开关电源设计的关键之一。

模拟地

模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。模拟电路通常处理连续变化的信号，如音频信号、视频信号等，这些信号的幅度和频率都在不断变化。模拟地的质量对模拟信号的处理精度和抗干扰能力有着至关重要的影响。由于模拟电路既承担小信号的处理，又承担大信号的功率处理，而且既有低频信号的处理，又有高频信号的处理，模拟量在能量、频率、时间等方面都存在很大的差别，因此模拟电路既容易受到外界干扰，又可能对其他电路产生干扰。例如，在音频放大器电路中，如果模拟地的布线不合理，外界的电磁干扰就可能通过模拟地耦合到音频信号中，导致音频输出出现噪声。为了减小模拟地的干扰，在 PCB 布线时，模拟地应尽量与数字地分开，并且要选择合适的接地点，通过短而粗的导线进行连接，以降低地线的阻抗。

数字地

数字地也称为逻辑地，是数字电路各种开关量(数字量)信号的零电位。数字电路主要处理离散的二进制信号，其工作状态通常只有高电平和低电平两种。虽然数字电路对信号的抗干扰能力相对较强，但在高速数字电路中，数字地的处理同样非常重要。因为在高速数字信号传输过程中，信号的变化速度非常快，会产生较大的电流变化率(di/dt)，如果数字地的布线不合理，就会产生较大的地电感和地电阻，从而导致地电位的波动，这种波动可能会影响数字信号的正确传输，引发逻辑错误。例如，在一个高速微处理器的电路中，数字地的不合理布线可能会导致数据传输错误，使处理器无法正常工作。因此，在设计数字电路的接地时，需要考虑到信号的频率和传输速度，采用合适的接地方式，如多点接地或多层 PCB 板的专用接地层，以降低地阻抗，保证数字信号的可靠传输。

热地与冷地

在开关电源中，热地和冷地是两个重要的概念。热地是指变压器初级地，它与电网不隔离，处于带电状态。例如，在一些没有经过隔离变压器的简单开关电源中，直接与市电连接的部分的地就是热地。由于热地与市电直接相连，其电位与市电的相线电位相关，存在触电风险。而冷地是指变压器次级地，它通过高频变压器与电网隔离，不带电。在经过隔离变压器的开关电源中，变压器次级输出部分的地就是冷地。冷地为负载设备提供了一个相对安全的接地参考点，即使人体接触到冷地，也不会有触电危险。热地和冷地的隔离对于保障人身安全和设备的正常运行非常重要，通常会采用光耦等隔离器件来实现热地和冷地之间的信号传输，同时避免电气连接，防止热地的危险电压传导到冷地一侧。

功率地

功率地是大电流网络器件、功率电子与磁性器件的零电位参考点。在开关电源中，功率地主要负责承载功率器件(如开关管、整流二极管等)和磁性元件(如变压器、电感等)的大电流。由于功率地中流过的电流较大，如果处理不当，就会产生很大的干扰。例如，功率地线上的电流变化会产生较强的磁场，这个磁场可能会耦合到周围的电路中，影响其他电路的正常工作。而且，功率地线上的电阻和电感会导致较大的电压降，这不仅会降低电源的效率，还可能使功率器件的工作条件恶化。因此，在开关电源布线中，功率地需要单独走线，并且要尽量缩短走线长度，增大导线宽度，以降低地线的阻抗，减少干扰的产生。

信号地

信号地一般指传感变化信号的地线，它为各种传感器和信号处理电路提供零电位参考。信号地的稳定性对于准确传输和处理传感信号至关重要。例如，在温度传感器电路中，信号地的电位波动可能会导致传感器输出的温度信号出现误差，影响温度测量的准确性。在设计信号地时，需要根据信号的特点和传输距离，选择合适的接地方式。对于低频、小信号的传输，通常采用单点接地方式，以减少地回路之间的相互干扰;对于高频信号的传输，则可能需要采用多点接地或混合接地方式，以降低接地阻抗，保证信号的完整性。

屏蔽地

屏蔽地主要为互联的电缆与主要机架提供 0V 参考或电磁屏蔽，其目的是防止静电感应和磁场感应。在开关电源中，由于存在各种电磁干扰源，如开关管的高频开关动作、变压器的磁场变化等，这些干扰可能会通过电缆和机架传导到其他设备中，影响设备的正常工作。通过将电缆的屏蔽层和机架连接到屏蔽地，可以将干扰信号引入大地，从而减少干扰的传播。例如，在一些通信设备的开关电源中，为了防止电源产生的电磁干扰影响通信信号的传输，会将通信电缆的屏蔽层可靠地连接到屏蔽地。同时，屏蔽地的良好接地也有助于提高设备的抗干扰能力，保护内部电路免受外界电磁干扰的影响。

系统地

系统地是整个系统模拟、数字信号公共参考点，它将系统中各个部分的模拟地和数字地连接在一起，为整个系统提供一个统一的零电位基准。在一个复杂的开关电源系统中，可能包含多个功能模块，如控制模块、功率变换模块、滤波模块等，每个模块都有自己的模拟地和数字地。通过将这些模块的地连接到系统地，可以确保各个模块之间的电位一致性，减少模块之间的干扰。例如，在一个工业自动化控制系统的开关电源中，控制模块的数字地和功率变换模块的模拟地都连接到系统地，这样可以保证控制信号和功率信号之间的稳定传输，提高整个系统的可靠性和稳定性。然而，在连接系统地时，需要注意合理规划接地路径，避免出现地环路和共阻抗干扰等问题。

浮地

浮地是将电路中某条支路作为 0V 参考而不接地的一种接地方式。浮地的优点是该电路不受大地电性能的影响，能够在一定程度上避免外界电磁干扰通过大地传导到电路中。例如，在一些对电磁干扰非常敏感的医疗设备或测量仪器中，采用浮地方式可以提高设备的测量精度和抗干扰能力。然而，浮地也存在一些缺点，由于该电路与大地之间没有直接的电气连接，容易受到寄生电容的影响，使电路的地电位发生变动，增加对模拟电路的感应干扰。而且，在某些情况下，如设备发生漏电等故障时，浮地电路可能会积累电荷，导致设备外壳带电，存在安全隐患。因此，在实际应用中，需要根据具体情况谨慎选择浮地方式，并采取相应的防护措施，如增加漏电保护装置等。

接地方式及其特点

单点接地

串联单点接地

串联单点接地是指所有的器件的地都连接到地总线上，然后通过总线连接到地汇接点。这种接地方式的优点是分布传输的阻抗极小，布线相对简单、美观。然而，它存在着明显的缺点，由于所有器件共用一条接地总线，当电流流过不同的器件时，会在总线上产生电压降，导致各器件之间出现电位差，从而产生相互的共阻抗干扰。例如，在一个包含功率器件和小信号处理器件的电路中，功率器件的大电流会在接地总线上产生较大的电压降，这个电压降会叠加到小信号处理器件的地电位上，影响小信号的处理精度。此外，串联单点接地不适合于高频电路(f≥1MHz)，因为在高频情况下，地线的电感会变得不可忽视，过长的接地总线会产生较大的电感，导致接地阻抗增加，影响接地效果。同时，它也不适合于多个功率回路电路，因为不同功率回路的电流相互影响，会加剧共阻抗干扰的问题。由于对地分布电容的影响，串联单点接地还可能会产生并联谐振现象，大大增加地线的阻抗，进一步影响电路的正常工作。

并联单点接地

并联单点接地是指所有的器件的地直接接到地汇接点，不共用地总线。这种接地方式的优点是可以有效防止系统内各模块之间的共阻抗干扰，因为每个器件都有独立的接地路径，不会受到其他器件电流变化的影响。在一些对干扰敏感的电路，如精密测量仪器的信号处理电路中，并联单点接地能够保证信号的准确性和稳定性。然而，并联单点接地也存在一些不足之处。它同样不适合于高频电路(f≥1MHz)，因为在高频情况下，每个器件的接地引线都会产生电感，尽管接地引线较短，但多个电感的并联可能会导致在某些频率下出现并联谐振现象，增加接地阻抗。而且，由于各自的地线较长，地回路阻抗不同，会加剧地噪声的影响，引起 RF(射频)问题。此外，并联单点接地需要较多的布线空间，在空间有限的电路板设计中可能不太适用。

多点接地

多点接地是指系统内各部分电路就近接地，即每个需要接地的部分都直接连接到最近的接地平面或接地母线。这种接地方式的优点是多根导线并联能够降低接地导体的总电感，从而能够提供较低的接地阻抗。在高频电路中，由于信号的波长较短，接地引线的电感对信号的影响较大，多点接地通过缩短接地路径，能够显著降低电感的影响，快速将高频电流引入大地，减少电磁辐射。例如，在开关电源的高频开关部分，如开关管的散热片、高频变压器的屏蔽层等，采用多点接地可以有效地将高频电流泄放到地，提高电源的 EMC(电磁兼容性)性能。然而，多点接地也存在一些缺点。由于每根接地线的长度小于信号波长的 1/20 时才能有效降低接地阻抗，这就要求在布线时需要非常精确地控制接地线的长度。而且，多点接地可能会导致设备内部形成许多接地环路，当有交变磁场穿过这些环路时，会产生感应电流，引发地环路干扰。在不同的模块、设备之间组网时，地线回路容易导致 EMI(电磁干扰)问题，影响整个系统的正常工作。

混合接地

混合接地结合了单点接地和多点接地的综合应用，一般是在单点接地的基础上再通过一些电感或电容多点接地。它是利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率下具有不同的接地结构，主要适用于工作在混合频率下的电路系统。在一个包含低频模拟电路和高频数字电路的开关电源中，对于低频模拟电路部分，由于其对干扰较为敏感，采用单点接地方式可以避免地环路干扰，保证模拟信号的稳定性;对于高频数字电路部分，采用多点接地方式，通过电感或电容将高频数字电路的地连接到接地平面，能够降低接地阻抗，满足高频信号的快速接地需求。在采用混合接地时，要特别注意分清楚模拟电路的地与数字电路的地，以及它们的最佳公共连接点。如果连接不当，可能会导致低频部分受到高频干扰，或者高频部分的接地效果不佳，影响整个电路系统的性能。

接地选取的原则

基于电路工作频率

电路工作频率是选择接地方式的重要依据。以最高频率(对应波长为 λ)为考虑对象，当传输线的长度 L>λ，则视为高频电路，反之，则视为低频电路。一般来说，低频电路 (<1MHz)，建议采用单点接地。这是因为在低频情况下，信号的波长较长，接地引线的电感对信号的影响较小，而单点接地可以有效避免地环路干扰，保证电路的稳定性。例如，在一些音频功率放大器电路中，其工作频率通常在几十 kHz 到几十 MHz 之间，属于低频电路范畴，采用单点接地方式能够很好地满足其对干扰抑制的要求。当电路工作频率进入高频段 (>10MHz)，多点接地更为合适。由于高频信号的波长较短，接地引线的电感会对信号产生较大的阻碍，导致接地阻抗增大，多点接地通过缩短接地路径，降低了电感的影响，能够快速将高频电流引入大地，减少电磁辐射。在开关电源的高频变压器、开关管等高频工作部件的接地中，多点接地能有效提高电源的 EMC 性能。对于工作频率在 1MHz 至 10MHz 之间的电路，混合接地可以综合考虑单点接地和多点接地的优点，根据具体情况进行选择。一些复杂的开关电源可能包含多个不同频率的功能模块，此时混合接地能够更好地满足各模块的接地需求。

结合电路结构与布局

开关电源的电路结构和布局也会影响接地方式的选择。如果电路结构简单，模块之间的相互干扰较小，单点接地可能就足以满足要求。在一些小型的、功能单一的开关电源中，采用单点接地方式，布线简单，易于实现。然而，对于复杂的开关电源，包含多个功能模块，如功率变换模块、控制模块、滤波模块等，且各模块之间可能存在相互干扰的情况，就需要更复杂的接地方式。在这种情况下，混合接地可以根据不同模块的特点和需求，分别采用单点接地和多点接地，减少模块之间的干扰。如果开关电源的布局空间有限，无法为每个接地节点提供独立的接地路径，那么多点接地可能会因为需要较多的布线空间而不太适用，此时单点接地或经过优化的混合接地方式可能更为合适。例如，在一些便携式设备的开关电源中，由于电路板空间有限，采用单点接地并结合合理的滤波措施，可以在有限的空间内实现较好的接地效果，满足设备对电源小型化和稳定性的要求。

考虑电磁干扰环境

电磁干扰环境是选择接地方式时必须考虑的因素。在电磁干扰较强的环境中，如工业现场，存在大量的电磁辐射源和电气设备，开关电源需要采取有效的接地措施来抵御干扰。多点接地和混合接地在这种环境下具有优势，因为它们能够更好地降低接地阻抗，快速将干扰电流引入大地，减少干扰对电源的影响。如果开关电源自身产生的电磁干扰对周边设备有影响，也需要通过合适的接地方式来抑制干扰的传播。采用良好的接地屏蔽措施，结合合理的接地方式，如多点接地或混合接地，能够有效减少开关电源的电磁辐射，提高其 EMC 性能。在一些对电磁兼容性要求极高的医疗设备、通信设备等应用中，选择合适的接地方式对于保障设备的正常运行至关重要。例如，在医院的医疗设备中，由于周围存在各种医疗电子设备产生的电磁干扰，开关电源采用混合接地方式，并配合完善的屏蔽措施，可以确保医疗设备不受干扰，同时也不会对其他设备产生干扰，保证医疗设备的精准运行。

开关电源实际布线过程中关于 “地” 的考虑

总则

在开关电源实际布线过程中，首先要根据实际应用，仔细分清楚地线的种类。不同种类的地线具有不同的特点和作用，例如功率地主要承载大电流，模拟地对信号精度要求高，数字地则侧重于数字信号的传输等。只有明确了地线的种类，才能选择合适的接地方式。不论采用何种接地方式，都必须始终遵守 “低阻抗，低噪声” 的原则。低阻抗的地线能够确保电流能够顺利地流入大地，减少电压降和电磁干扰的产生;低噪声则是保证电源输出的稳定性和可靠性，避免噪声对负载设备的影响。在布线过程中，要尽量缩短地线的长度，增大导线的宽度，避免出现尖锐的拐角和过长的平行走线，以降低地线的阻抗和电感，减少电磁辐射。