在电子电路设计领域，PCB 接地是 PCB Layout 工程师始终关注的问题。例如，如何在电路板上规划出高效的接地系统，是将模拟地、数字地、电源地等所有地单独布线，还是采用单点一起布线的方式？又该如何有效消除电路板上的接地环路？本文将深入介绍关于 PCB 接地设计、PCB 接地技巧以及 PCB 接地处理的相关内容。
虽然 “什么是接地” 这个问题看似简单，但不同类型的接地之间存在显著区别。电气接地是一个导电体，它作为来自各种设备的电流的公共返回路径，通常被称为 0 电位节点，系统中所有其他电压都是相对于这个节点而言的。以下为您详细介绍不同类型的接地节点：
- 浮地：当系统没有可靠的接地连接时，就会出现浮地现象。此时，接地端子和导体中的电压是不确定的。无意的浮动接地被视为系统故障（接地系统中的潜在断路），不过也有一些应用会有意使用浮动接地。在低压电源和测试仪器中，隔离变压器用于将低压接地与主接地系统隔离，以提高安全性。通过使低压侧的地处于浮动状态，避免了来自主电源的接地电流路径。如果低压侧出现故障，这种设计能提供电气安全保障。
- 大地：大地实际上是与地球的物理连接，它充当耗尽剩余电流的安全返回点。在电气系统中，将设备接地到大地可以有效地防止电气事故的发生，保障人员和设备的安全。
- 机箱接地（安全接地）：机箱接地是从交流电源到产品外壳或底盘的安全线的连接，接地和机箱接地具有相同的功能，通常与术语安全接地互换使用。在 PCB 接地方面，没有一种通用的方法适用于所有情况。要确定将系统接地的方式，需要深入了解其中电流的流动方式。不过，有多种方法可供选择，并且存在一些适用于大多数系统的接地实践提示。
- 信号地：信号地是电路中使用的任何模拟或数字信号的参考，大多数情况下信号地等于电源地。但在某些特定情况下，电路中的信号会使用不同的隔离接地来返回信号电流，这就导致需要为信号定义单独的接地。信号地常见于敏感设备和测量仪器中。在为模拟和数字部分划分电路板时，分离地通常连接在具有模拟和数字轨道连接的混合信号设备下方或附近。当在混合信号设备下方的模拟地和数字地平面之间进行连接时，能够以短的长度运行混合信号走线，并减少干扰设备周边其他模拟或数字信号的机会。
图 2：原理图中用于接地的典型符号
图 3：模拟地和信号地分开接地示意图 - 虚地：虚地常见于运算放大器 (Op - Amp)。虚拟接地点（节点）不直接连接到接地（GND）电流返回路径，而是保持与接地参考电位匹配。虚拟接地用于分析运算放大器的功能。通过考虑虚拟接地电位，并假设运算放大器不吸收电流，可以得到相应的关系。
图 4：虚地示意图
图 5：虚地计算公式示意图 - 交流接地：交流接地节点具有低阻抗直流值，即使受到小的干扰，该直流电压也是稳定的。由于它的直流值，这个节点不能作为一个合适的地，但是因为它是稳定的，它可以作为一个参考点。交流接地是将电源引入需要电网电源并以中等高电流运行的电路板的标准方法。在相关电路中，将 3 线单相交流电引入系统，并使用变压器将其降压至电路板上所需的电平。PCB 叠层中初级接地 (PGND) 和次级接地 (SGND) 之间的分离意味着在电路板上基本上有一个隔离电源以及其他重要组件，这些组件可能是高速数字或精密模拟组件。
图 6：输入功率级隔离接地示意图 - 底盘接地：在电子产品中需要注意的是，并非所有系统都有机箱接地（安全接地）。通常，底盘接地是指外壳中的金属机箱，并与机箱建立连接。在 3 线 AC 系统（火线、中性线和地线）或 3 线 DC 系统（DC +、DC 公共端和地线）中，机箱接地通常在电源进入电源的点处连接到大地。插入系统的一部分也可以连接到机箱接地以吸收噪声或出于安全原因（例如，ESD 保护）。这种布置为 3 线连接上的交流或直流输入提供了共模噪声过滤。底盘接地连接提供了三个重要功能：由于机箱现在设置为全局 0 V 参考电位，因此机箱现在充当法拉第笼并提供宽带屏蔽；它提供了一种安全功能，可以将寄生电流（ESD、短路或噪声）消散回大地；它可以在此输入 EMI 滤波器上为共模噪声提供低阻抗接收器，而无需在板上放置铁氧体或大扼流圈。
图 7：底盘接地示意图 - 多地接地：多地接地通常在两台设备之间布线时出现，并且电缆可能有一些屏蔽层连接到每一端的地线。必须在这里小心，因为两个接地连接之间可能有直流电势差，在实验室测量时可能约为 10 V。如果接地桥接（例如沿屏蔽电缆使用屏蔽），接地偏移可能会导致大的直流电流流过电缆。
图 8：多地接地示意图
悬空的导体或者系统中参考不同电源的导体可能不具有相同的 0 V 电位。换句话说，两个不同的设备有两个接地参加，但连接到同一个参考，如果你测量它们之间的电位，测量得到的是一个非 0 电压。在电源系统中，要注意如何使用电容接地以确保接地参考保持一致。Y 级电容是比较合适的选择，它可以消除平面之间的直流偏移，同时提供电流隔离和高频 EMI 滤波。当两个设备引用相同的导体作为接地连接时，可能会出现这样的情况：如果你测量长导体上的电位差（例如：使用万用表），它可能不为 0，这意味着沿着导体驱动了一些电流。这种沿着大地或两个接地连接之间的电位差称为 “接地偏移”。
- 地线：所有连接到地面的组件都通过公共迹线连接在一起，这在旧 PCB 和简单 PCB 中较为常见。这种方式简单直接，但可能存在一定的局限性，例如在复杂电路中可能会导致接地阻抗不均匀等问题。
- 公共接地平面：公共接地平面是 PCB 设计中常见的做法。PCB 上未被走线或元件利用的自由空间被从地面覆盖。公共接地平面显著改善了 PCB 的热特性，也有助于降低电磁干扰 (EMI)。它能够为电流提供一个低阻抗的返回路径，减少信号干扰和噪声。
- 专用接地层：专用接地层用于多层 PCB，组件通过接地过孔连接到接地层。可以在具有 3 层及以上层的密集复杂 PCB 中找到。专用接地层能够提供更稳定的接地参考，减少不同层之间的干扰，提高电路的性能和可靠性。
- 电力系统接地：在电力系统安装中，所有接地连接都连接到接地母线。该母线连接到接地导体，该接地导体连接到接地棒或接地网。接地母线将所有装置的所有接地线汇集到一个公共点。该点的接地电阻应低于 5 欧姆，以提供更好的接地，使用高规格电线将接地母线连接到接地装置（接地棒和接地网）。这样可以确保电力系统的安全稳定运行，防止电气故障的发生。
- 等电位接地或者接地：等电位接地意味着保护区中的每个导电元件都应具有相同的接地电位，是通过电气连接设备底盘、金属管道和所有接地装置来实现的。等电位确保了该区域中的任何导电部件之间没有明显的电位差，并防止在故障期间触电。在一些对电气安全要求较高的场所，如医院手术室、电子设备机房等，等电位接地是非常重要的。
- PCB 全部连接完整：PCB 布局上不应有任何未连接的东西。如果板上有开放空间，要用铜和过孔填充它以连接接地层，这将为 PCB 的所有信号创建一个结构化的路径，以有效地到达地面。这样可以减少信号反射和干扰，提高电路的稳定性。
- 接地层：使用接地层是许多 PCB 设计人员常用的技术。接地层通常由铜制成，覆盖 PCB 上没有组件或走线的所有区域。一些规则适用于接地层，具体取决于电路板的层数。例如，如果电路板有两层，则规则规定应该将接地层放在底层，将走线和组件放在顶层。放置接地层时，应确保它不会形成导电材料环。该环会增加接地层对电磁干扰 (EMI) 的敏感性。当外部磁场与导电环接触时，它会充当电感，产生称为接地回路的电流。接地回路会干扰产生电噪声的其他电路。当在整个底层的下方放置一个接地层并移除所有包含电气元件的部件时，可能会形成一个导电环。应确保走线尽可能短，并在其下方放置接地层以防止出现振铃。此外，可以通过调整走线和组件的布局来避免创建导电环。每个组件都必须单独连接到一个实心接地层以避免接地回路。使用机箱接地时，可以通过在连接到机箱的接地部分放置一个空隙来避免接地回路，电容的使用提供了一个交流接地点。对于需要使用墙壁电源并需要直接返回地面的电气设备来说，这是一种理想的情况。
