原创 接地讨论 _3_地线策略目标

    这是我写的章节内容，大家如果有想法我可以改正，因为我也在努力修正自己的想法，使之更完善。

    论及这个话题，我参考了不少文献，其中以武晔卿老师在他的博文《电子技术的老生常谈——接地》的论述最为精简和通俗。简而言之在模块中指定地线的策略主要目的是为了防止不同的电路之间产生干扰导致某些功能的异常，对于模块的地线策略的目标主要是实现以下的两点：低阻抗回流路径和地稳定，如图所示。

地阻抗低和地稳定
① 低阻抗回流路径：不同的电路中有不同频率、不同电流和不同类型的信号，从信号源供电开始到处理电路内部，最后通过地线回流。为了保证电路接受到的信号符合要求，必须给每个信号予以较低的阻抗的回流路径。在实际中由于各种元器件晶圆至封装引脚、印刷电路板连线、导通孔和其他连接导体都存在一定寄生的感抗和其他非理想的寄生参数，因此信号在低频的情况和高频的情况完全不同。这里需要以阻抗的概念去思考问题，对于较高频率的信号予以高度重视。
② 地稳定：模块的负载如果是感性负载，特别是类似较大感性的直流电机或者在功能上有堵转的电机（门锁电机），在关断瞬间存在着很大的浪涌电压，在设计中我们会加入TVS等环节作为低阻抗的路径，但更为重要的是整个地平面也必须是低阻抗路径，将电压浪涌的能量进行充分的吸收，地平面的阻抗要足够的小以至于尖峰电流通过的时候不会产生很大的电压干扰。换言之，如果地线作为参考电平在这种情况下有很大的波动，即使供电电源稳定的情况下，整个芯片的电压就会随之产生剧烈的波动。
  由于在整车系统中线束布置的复杂性限制，通常会使用很长电缆连接模块并且模块的很多负载和开关都是通过不同的返回路径连接的，因此无法考虑整个信号的返回路径；甚至无法控制模块的地线引脚输出以后的连接是否是高阻抗回路还是足够的低。因此对于汽车电子模块而言仅仅专注于内部的电路板级的地线处理，整个的地线策略都是围绕着每块功能电路的低阻抗和模块的地线稳定这两个目标展开的。
 

如果地线布置不合理，不满足以上两个要求，往往就会遇到地线干扰的问题。

⑴ 共地阻抗耦合干扰：狭义而言共地阻抗耦合干扰是指不同的信号类型和大小的电流都往同一条回流路径返回至一个出口，在返回路径上形成相互干扰。如图8.1所示，即使为不同的信号设计几条回流路径，假定初始的阻抗都是一样的，那么也会因为电流的大小不一致使得大电流同时从这几条路径上同时经过而引起敏感信号的地电位抬高，如果是开关性的大感性负载的瞬时电流在敏感信号的返回路径上回流，那么在采样的时候单片机获取的电压就远远偏离了真实的电压，引起很大的误差，对整个模块的功能而言可能是灾难性的效果。

⑵ 地环路干扰：同样的在上面的图形里面，在其中一块电路受到共地阻抗耦合干扰的影响的时候。电阻的不平衡性使得不同的走线的电流不同，每个地线上会产生点位差，如果两块电路之间有存在的信号连接的时候，信号之间由于地线间的电压差会产生额外的差模电压误差，造成电平的不兼容等影响。

图 共地阻抗耦合干扰
因此解决这个问题的首要步骤就是进行电路的回流路径的区分，根据电路的功能以及信号的特征为每部分区分出工作数字地、工作模拟地、工作功率地和工作噪声地四种不同的回流路径。根据这些地线的划分，可以得到整个地线的布局：
①    工作数字地：是数字逻辑信号的返回路径，包括单片机逻辑信号、时钟信号和通信总线上的返回路径，其工作频率高会产生一定的地弹噪声。
②    工作模拟地：是敏感信号和小信号的返回路径，包括弱信号检测电路、传感器输入电路、前级放大电路和单片机模拟电源等，这些信号的特点是电压低、信号幅度弱并且幅值代表信号的大部分信息，特别容易受到干扰而失效或降级。
③    工作功率地：是大功率信号的地线，包括大功率输出的电路，工作电流都比较大，容易在地线上产生一些压降和干扰。
④    工作噪声地：包括电动机、继电器和电磁阀等感性负载，在开关的时候会产生火花或冲击电流，会在地线上耦合产生严重的干扰。除了要采取抑制、屏蔽和隔离技术外，地线必须和其他工作地线分开设置。
将他们进行划分以后，就需要考虑是否需要使用一个较为完整的地平面，作为整个模块地线引脚的低阻抗区域，而把上述的四种地线与之做出正确的连接，特别是工作噪声地的处理。当然很多文献直接要求进行不同信号的分割，可能在不同的应用领域可能是有效的，但是在汽车电子中，往往首要的是保证有一个较为完整的地平面，因为大多数的模块都是采用四层板的方式来工作。