开关电源中 “地” 的分类与特点

在开关电源实际布线时，首先要根据实际应用，仔细分清楚各种地线的种类，然后依据不同地线的特点和电路的需求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，以确保接地的有效性，减少电磁干扰对电源性能的影响。

交流地通常指交流电的零线。它在电力传输中扮演着重要角色，但由于其与电网相连，且在传输过程中会受到各种电气设备的影响，因此往往是产生噪声的源头。在开关电源中，交流地应与大地区别开，以防止噪声通过接地路径引入电源系统，影响电源的正常工作。

直流地

直流地是直流电路的 “地”，即零电位参考点。它为直流电路中的各个元件提供了一个统一的电位基准，确保电路中信号的准确传输和处理。在开关电源的直流输出部分，直流地的稳定性对于输出电压的精度和稳定性至关重要。

模拟地

模拟地是各种模拟量信号的零电位。模拟电路对信号的精度和稳定性要求较高，微小的干扰都可能导致信号失真，从而影响整个系统的性能。因此，模拟地需要尽可能地保持纯净，减少与其他类型 “地” 的相互干扰。

数字地

数字地也叫逻辑地，是数字电路各种开关量(数字量)信号的零电位。数字电路工作在高、低电平两种状态，其信号变化速度快，电流波动较大，会产生较强的电磁干扰。与模拟地相比，数字地的干扰特性有所不同，在布线时需要区别对待。

热地与冷地

热地指变压器初级地，它与电网不隔离，处于带电状态。热地周围存在较高的电压，若处理不当，容易引发触电危险和电气安全问题。冷地则指变压器次级地，它与电网隔离，不带电。冷地相对安全，常用于为后级电路提供稳定的参考电位。

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。由于功率电路中通常会有较大的电流流过，功率地的阻抗对电路的性能影响显著。如果功率地的布线不合理，会产生较大的电压降和电磁干扰，导致电源效率降低，甚至影响整个系统的正常运行。

信号地

信号地一般指传感变化信号的地线，它用于传输各类传感器采集到的信号。信号地的稳定性和抗干扰能力直接关系到传感器信号的准确性和可靠性，进而影响系统对外部环境变化的感知和响应能力。

安全地

安全地的主要作用是提供大地接地点的回路，可有效防止触电危险。在开关电源中，将设备的金属外壳等可触及部分连接到安全地，当发生电气故障导致外壳带电时，电流能够通过安全地迅速流入大地，避免人员触电伤亡。

屏蔽地

屏蔽地为互联的电缆与主要机架提供 0V 参考或电磁屏蔽，能有效防止静电感应和磁场感应。在一些对电磁干扰敏感的电路或设备中，通过将屏蔽层连接到屏蔽地，可以将外界的电磁干扰屏蔽在系统之外，同时也能防止系统内部产生的电磁干扰对外传播。

系统地

系统地是整个系统模拟、数字信号公共参考点，它将系统中的各个部分有机地连接在一起，确保整个系统在统一的电位基准下工作。系统地的设计需要综合考虑模拟地和数字地的特点，以及系统中不同模块之间的相互关系，以实现最佳的接地效果。

浮地

浮地是将电路中某条支路作为 0V 参考而不接地，它使电路与大地之间没有直接的电气连接。浮地可以在一定程度上避免外界干扰通过接地路径进入电路，但同时也增加了电路对静电等干扰的敏感性，需要采取额外的措施来确保电路的稳定性和安全性。

接地方式及其特点

单点接地

单点接地是指所有电路的地线接到公共地线的同一点，以减少地回路之间的相互干扰。它可以防止不同子系统中的电流与 RF 电流经过同样的返回路径，从而避免造成相互之间的共模噪声耦合。单点接地又可分为串联单点接地和并联单点接地。

串联单点接地：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。这种方式的优点是分布传输的阻抗极小，布线简单、美观。然而，它存在明显的缺点，即不适合于高频电路(f≥1MHz)和多个功率回路电路。因为在高频情况下，地线的电感会变得不可忽视，导致接地阻抗增加;而且各子系统之间存在共阻抗干扰，由于对地分布电容的影响，还会产生并联谐振现象，大大增加地线的阻抗。

并联单点接地：所有的器件的地直接接到地汇接点，不共用地总线。这种方式可以防止系统内各模块之间的共阻抗干扰，但同样不适合于高频电路(f≥1MHz)，并且会受到并联谐振的影响。此外，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 问题。

多点接地

多点接地是指系统内各部分电路就近接地。其优点是多根导线并联能够降低接地导体的总电感，能够提供较低的接地阻抗，在高频电路中应用较为广泛。但是，多点接地也存在一些缺点，例如每根接地线的长度需要小于信号波长的 1/20，否则会影响接地效果;多点接地可能会导致设备内部形成许多接地环路，从而降低设备对外界电磁场的抵御能力;不同的模块、设备之间组网时，地线回路容易导致 EMI 问题。

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，以避免不同类型的地之间相互干扰。

开关电源实际布线过程中关于 “地” 的考虑

功率地线的处理

功率地线由于有大电流流过，如果处理不当就会产生很大的干扰，甚至导致电源不能带重载或无法正常工作。例如，在 BUCK 线路中，如果使用大面积的铺地，可能会导致干扰太大而无法带重载。在实际 Layout 时，需要注意以下几点：

不同的功率地线需要单独走线，避免相互干扰。因为不同功率回路的电流特性可能不同，共用走线容易导致电流相互影响，产生额外的干扰。

尽量不要平行走线，以减少线间的电磁耦合。平行走线会增加线间的互感和电容，使得干扰更容易在不同功率地线之间传播。

尽量减少环路面积，因为较大的环路面积会增加电感，容易感应外界的电磁场，产生噪声。

必须遵循 “短，粗，直” 的原则。由于功率地线的 di/dt 较大，太长的线天线效应明显，会向外辐射电磁干扰;太细的线会产生较大的压降，影响功率传输效率;弯曲太多或 90 度的线会产生反射效应，进一步增加信号的失真和干扰。

驱动地线的布局

驱动源的地线要尽量靠近被驱动器件，以便构成最小环路，减少振荡与 EMI 问题。驱动信号通常具有较高的频率和较大的电流变化率，如果驱动地线过长或布局不合理，会形成较大的环路面积，从而产生较强的电磁辐射，干扰其他电路的正常工作。将驱动地线靠近被驱动器件，可以有效减小环路面积，降低电磁干扰的产生。

Y 电容的接地点选择

Y 电容在开关电源中起到抑制共模干扰的重要作用，其接地点的选择十分关键。关于 “源” 的概念，“静地” 是源的低端。Y 电容的连接点讲究一个 “静”，即应选择电位相对稳定、干扰较小的点作为连接点。例如，在一些电路中，Y 电容最佳连接点可能是某些电容的负端或变压器次级的特定引脚，这些点通常具有较低的噪声和稳定的电位。

散热器接地

在开关电源中，散热器通常处于地电位，而有源器件处于射频电位。散热器工作时可以等效于一个大的共模去耦电容，将 RF 电流接入地。通过将散热器良好接地，可以有效地将有源器件产生的高频 RF 电流引入大地，减少其对周围电路的干扰，同时也有助于提高器件的散热效果，保证器件的正常工作温度，从而提高整个开关电源的稳定性和可靠性。

局部接地面的应用

局部接地面可以捕获器件跟振荡器内部产生的 RF 磁通量，在高频电路中应用较为常见。在高频情况下，器件和振荡器会产生较强的电磁辐射，通过设置局部接地面，可以将这些辐射的 RF 磁通量引导到地，减少对其他电路的干扰。局部接地面的设计需要根据具体的电路布局和高频辐射源的位置进行合理规划，以达到最佳的屏蔽和接地效果。

结论

在开关电源实际布线过程中，正确处理各种 “地” 的问题至关重要。我们需要深入理解各种 “地” 的概念与分类，根据地的种类选用不同的接地方式，并结合安规、EMC 的要求进行综合考虑。关键是要充分认识到 “地” 在电源中的作用，在布线时权衡利弊得失，通过合理的布线设计，实现低阻抗、低噪声的接地系统，从而提高开关电源的性能、稳定性和电磁兼容性，确保开关电源能够可靠地为各种电子设备提供稳定的电力支持。随着电子技术的不断发展，对开关电源的性能和 EMC 要求也会越来越高，接地方式的选择和优化将持续成为开关电源设计中的重要研究方向。