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集成负载开关是可用于开启和关闭系统中的电源轨的电子继电器。负载开关为系统带来许多其它优势，并且集成通常难以用分立元件实现的保护功能。负载开关可用于多种不同的应用，包括但不限于： ●配电 ●上电排序和电源状态转换 ●减小待机模式下的漏电流 ●浪涌电流控制 ●断电控制 1 什么是负载开关？ 集成负载开关是可用于开启和关闭电源轨的集成电子继电器。大部分基本负载开关包含四个引脚：输入电压引脚、输出电压引脚、使能引脚和接地引脚。当通过ON 引脚使能器件时，导通FET 接通，从而使电流从输入引脚流向输出引脚，并且电能传递到下游电路。 图1. 常规负载开关电路图 1.1 常规负载开关框图 了解负载开关的架构对于确定负载开关的规范很有帮助。图2所示为基本负载开关的框图，该负载开关包括五个基本模块。可以包含更多模块以向负载开关添加功能。 图2. 常规负载开关框图 1. 导通FET 是负载开关的主要元件，它决定了负载开关可处理的最大输入电压和最大负载电流。负载开关的导通电阻是导通FET 的特性，将用于计算负载开关的功耗。导通FET 既可以是N 沟道FET，也可以是P 沟道FET，这将决定负载开关的架构。 2. 栅极驱动器以控制方式对FET 的栅极进行充放电，从而控制器件的上升时间。 3. 控制逻辑由外部逻辑信号驱动。它控制了导通FET 和其它模块（如快速输出放电模块、充电泵和带保护功能的模块）的接通和关断。 4. 并非所有负载开关中均包含电荷泵。电荷泵用于带有N 沟道FET 的负载开关，因为栅极和源极(VOUT)间需要有正差分电压才能正确接通FET。 5. 快速输出放电模块是一个连接VOUT 到GND 的片上电阻，当通过ON 引脚禁用器件时，该电阻导通。这将对输出节点进行放电，从而防止输出浮空。对于带有快速输出放电模块的器件，仅当VIN 和VBIAS处于工作范围内时，此功能才有效。 6. 不同的负载开关中还包括其它功能。这些功能包括但不限于热关断、限流和反向电流保护。 1.2 负载开关的常见数据表参数和定义 ●输入电压范围(V IN ) – 这是负载开关可支持的输入电压范围。 ●偏置电压范围(V BIAS ) – 这是负载开关可支持的偏置电压范围。为负载开关的内部模块供电可能需要此参数，具体取决于负载开关的架构。 ●最大连续电流(I MAX ) – 这是负载开关可支持的最大连续直流电流。 ●导通状态电阻(R ON ) – 这是在VIN 引脚与VOUT 引脚间测得的电阻，其中考虑了封装和内部导通FET 的电阻。 ●静态电流(I Q ) – 这是为器件的内部模块供电所需的电流量，以VOUT 上没有任何负载时流入VIN 引脚的电流为测量值。 ●关断电流(I SD ) – 这是禁用器件时流入VIN 的电流量。 ●ON 引脚输入漏电流(I ON ) – 这是ON 引脚上施加高电压时流向ON 引脚的电流量。 ●下拉电阻(R PD ) – 这是禁用器件时从VOUT 到GND 的下拉电阻值。 下面将概述一些可以通过使用负载开关获得好处的应用。 【分页导航】 第1页： 什么是负载开关？ 第2页： 应用: 配电/上电排序/降低漏电流 第3页： 应用: 浪涌电流控制/断电控制 第4页： 应用: 集成故障保护功能/减少BOM数量和PCB面积 2 为什么需要负载开关 本部分将概述一些可以通过使用负载开关获得好处的应用。 2.1 配电 许多系统对子系统配电的控制有限。如图3 所示，可使用负载开关来接通和关断输入电压相同的子系统，而不使用多个DC/DC转换器或LDO。使用负载开关后，可通过对各个负载的控制在不同负载间进行配电。 图3. 配电框图 2.2 上电排序和电源状态转换 在某些系统（尤其是带有处理器的系统）中，必须遵循严格的上电时序。通过使用GPIO 或I2C 接口，负载开关成为可实现满足上电要求的上电排序的简单解决方案。负载开关可提供每个电源路径的独立控制，从而简化上电排序的负载点控制，如图4 所示。 图4. 使用负载开关的上电排序 2.3 降低漏电流 在许多设计中，存在只在特定工作模式期间使用的子系统。可以使用负载开关关闭这些子系统的电源来限制漏电流量和功耗。图5 显示了使用和不使用负载开关时的漏电流对比情况。有关详细信息，请参见输入和输出电容部分。 图5. 使用和不使用负载开关时的漏电流对比情况 在一些应用中，可禁用电路（如DC/DC转换器、LDO 和模块）并将其置于待机模式。但即使是处于关断状态，这些模块的漏电流也相对较高。如上图所示，在负载前面放置一个负载开关可显著减小漏电流。因此，在电源路径中放置一个负载开关可大幅降低功耗。 【分页导航】 第1页： 什么是负载开关？ 第2页： 应用: 配电/上电排序/降低漏电流 第3页： 应用: 浪涌电流控制/断电控制 第4页： 应用: 集成故障保护功能/减少BOM数量和PCB面积 2.4 浪涌电流控制 在没有任何转换率控制的情况下开启子系统时，可能会由于负载电容快速充电产生浪涌电流而导致输入轨下陷。由于此输入轨可能正在为其它子系统供电，因此这会引发问题（图6）。负载开关可以通过控制输出电压的上升时间来消除输入电压的下陷，从而解决此问题（图7）。 图6. 导致电源电压突降的浪涌电流 图7. 使用负载开关的转换率控制 2.5 断电控制 当不带快速输出放电功能的DC/DC 转换器或LDO 关闭时，负载电压保持浮空，断电取决于负载，如图8所示。这可能导致出现预想外的动作，因为下游模块并未在断电后到达指定状态。 图8. 未使用负载开关时的不受控断电 使用带快速输出放电功能的负载开关可缓解这些问题。负载将以受控方式快速断电，并将复位为已知的良好状态以备下次上电，如图9 所示。这将消除负载上的任何浮空电压并确保其始终处于定义的电源状态。 图9. 使用负载开关时的受控断电 【分页导航】 第1页： 什么是负载开关？ 第2页： 应用: 配电/上电排序/降低漏电流 第3页： 应用: 浪涌电流控制/断电控制 第4页： 应用: 集成故障保护功能/减少BOM数量和PCB面积 2.6 保护特性 某些应用可能需要负载开关中集成故障保护功能。一些负载开关包括反向电流保护、ON 引脚滞后、限流、欠压锁定和过热保护等集成功能。与通过离散元件实现这些复杂电路不同，使用集成负载开关可减少物料清单数量、减小解决方案尺寸并缩短开发时间。下面简要介绍了其中一些功能： ●反向电流保护功能将阻止电流从VOUT 引脚流向VIN 引脚。如果没有此功能，当二极管压降导致VOUT 上的电压高于VIN 上的电压时，电流可能从VOUT 引脚流向VIN 引脚。因此，反向电流阻断可使某些应用获益，如电流不应从VOUT 流向VIN 的电源多路复用器应用。有许多不同的方法可实现反向电流保护。在某些情况下，器件（如TPS22912）将监视VIN 引脚和VOUT 引脚上的电压。当此差分电压超出特定阈值时，开关将被禁用，同时体二极管断开以防止出现流向VIN 的反向电流。某些器件（如TPS22963C）只有在被禁用时才具有反向电流保护功能。 ●ON 引脚滞后功能可使GPIO 使能更稳定。由于ON 引脚上存在逻辑高电平与逻辑低电平的电压差，即使GPIO 线上出现噪声，控制电路也将按预期工作。图10 说明了ON 引脚滞后如何为GPIO 使能线提供稳定性。 ●限流功能将限制负载开关输出的电流量。这将确保外部电路不会拉过量的电流。如果电流不受限制，外部电路可能会使主系统停止工作。在限流模式下，负载开关提供连续电流，直至开关电流降至电流限值以下。 ●欠压锁定(UVLO) 用于在VIN 电压降至阈值以下时关闭器件，以确保下游电路不会因为供电电压低于预期值而损坏。 ●过热保护功能可在器件温度超出阈值温度时禁用开关。凭借此功能，器件可用作在检测到高温时关断的安全开关。 图10. ON 引脚滞后 2.7 减少BOM 数量和PCB 面积 使用集成负载开关可减少系统的BOM数量。如果有离散FET与其它元件配合使用，则可以考虑使用负载开关来减少系统中的元件总数。分离创建负载开关时，将需要多个电阻、电容和晶体管来实现栅极驱动器、控制逻辑、输出放电和保护功能。而采用集成负载开关，只需单个器件便可实现全部功能，从而显著降低BOM数量。 【分页导航】 第1页： 什么是负载开关？ 第2页： 应用: 配电/上电排序/降低漏电流 第3页： 应用: 浪涌电流控制/断电控制 第4页： 应用: 集成故障保护功能/减少BOM数量和PCB面积

1.1 接地 任何电子或电气电路都有一个基本属性，即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点，这个公共点习惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动，在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。 这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点，此时这个点被称为0V(零伏)轨，而地和0V通常是同义词(有些令人困惑)。这样，当我们谈到5V电源或-12V电源或2.5V参考电压时，这些电压的参考点都是0V轨。 而实际地并不等同于0V。基于安全的原因，需要用地线将设备连接到大地，在正常工作中地线是不承载电流的。然而，本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的，包括安全地以及信号与电源返回路径。 电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然认为是一样的。事实上，在一个工作电路中只有一个点是真正的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感，欧姆定律告诉我们，在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。 一个工作中的电路将在指定为0V轨的这些导体中形成电流流动，因此如果轨的任何一点处于真正的0V(比方电源连线)，那么轨的其它部分将不等于0V。这种情况可以用图1.1中的例子来解释。 图1.1 0V轨沿线的电压。 假设0V导体具有10mΩ/英寸的电阻，A、B、C和D点分别间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是： V C = (I 1 + I 2 + I 3 ) × 10 mΩ = 400 μV V B = V C + (I 1 + I 2 ) × 10mΩ = 700 μV V A = V B + (I 1 ) × 10mΩ = 900 μV 现在，经过上述深入浅出的介绍后，你可能会说，世界上存在成千上万的电路，它们必定都有0V轨，但它们的工作看起来好得很，因此有什么问题呢？大多数情况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧级别，电流是毫安，因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。0V加上500 μV还是非常接近0V，没有人会担心。 这样的回答问题在于，很容易让人忘记0V轨，并认为在所有条件下都是0V，但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是： ● 当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时； ● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时； ● 最终压降不管值是多少，其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 第四部分： 第五部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 什么时候考虑接地 优秀的电路设计师的优秀品质之一是，知道何时需要慎重考虑这些条件，何时可以安全地忽略这些条件。通常的复杂性在于，你作为电路设计师可能不负责电路版图，版图设计要交给专门的版图人员完成(他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地对版图来说总是敏感的，不管是分立的布线还是印刷电路板，如果设计要求比较高，设计师就必须在这方面具备一定的知识，并进行有效控制。 这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动，这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话，确保不管这些电流在哪里流动，造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是0V和地线，因为它们是最被认可的，但问题的实质是普遍性的，适用于电流流经的任何导体。电源轨(或轨)是另外一种特殊情况，此时的导体阻抗可能会产生问题。 1.1.1 在一个单元内的接地 本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆，因此你可以确定一个“局部”的接地点，比如主电源地的接入点。图1.2给出了一个例子。 图1.2 典型的单元内部走线机制。 假设如印刷电路板(PCB)1包含输入信号调节电路，PCB2包含用于信号处理的微处理器，PCB3包含大电流输出驱动器，比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上，但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。 电源单元(PSU)为前两块电路板提供低压电源，为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图，图1.2可以用作说明好坏实践的起点。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 第四部分： 第五部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 1.1.2 机箱地 首先需要注意的是，地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点，这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。 这些连线有主电源安全地(后面会有更详细的讨论)、0V电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接(如变压器中的静电屏蔽)。 机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流1。如果使用多个接地点，即使存在另外一条电流返回路径，机箱中也会有与之成比例的电流流动(图1.3)。具体比例则取决于阻抗比，而阻抗又取决于频率。 图1.3 具有多个接地点的返回电流路径。 这种电流很难预测，而且可能受到结构变化的影响，因此它们会产生极其意外又令人恼火的效应：可能花了很长时间去跟踪振荡或干扰问题，最后发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。 机箱连接处会受腐蚀的影响，因此单元性能可能随时间推移而劣化，而且会受机箱材料表面氧化的影响。如果你使用多点机箱接地，那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。 但是，当要求射频屏蔽和/或低电感接地时，多点接地也许是必须的。 1.1.3 铝的导电特性 由于铝是一种轻量、坚固和高导电性的机箱材料，在整个电子行业中有着广泛的应用——只有银、铜和金具有更高的导电率。铝机箱具有相当低的体电阻，因此非常适合用作导电接地端。 遗憾的是，铝的另外一种属性(在其它情况下非常有用)是它的表面很容易氧化，以致于所有实际使用的铝材都覆盖有一层氧化铝(Al2O3)薄膜。氧化铝是一种绝缘物质。事实上，它的绝缘性能相当好，以致于阳极电镀铝常用作散热器上的绝缘垫圈，因为在这种铝材表面通过化学处理方法专门生成了一层很厚的氧化膜。 这种品质的氧化铝的实用结果是，连接在一起的两层铝之间的接触电阻异常高。实际电气接触只是在氧化膜破裂的地方。因此无论何时只要你想保持由多片铝板做成的机箱的导电连续性，你必须确保铝板紧密地绑定在一起，最好采用焊接或紧固的方法，后者可以使用防震锯齿形垫圈并使之深入铝材表面。 接地点可以采用同样的方法。最好的连接方式是压接或焊接螺柱(因为铝焊接起来比较困难) (图1.4)，但如果这种方式不可用的话，可以在与铝材接触的螺母下面使用防震锯齿形垫圈。 图1.4：到铝材的电气连接。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 第四部分： 第五部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 其它材料 另外一种常用的机箱材料是镀镉或镀锡的钢材，这种材料不存在氧化的问题。低碳钢的体电阻是铝材的三倍，因此导电性不是太好，但它具有更好的磁屏蔽属性，并且价格较低。 压铸型锌材也非常流行，因为它重量轻，强度大，并且通过压铸工艺很容易做成复杂的形状。锌的导电性是铜的28%。在导电性为主、成本次要的场合(比如射频电路)，还可以使用其它金属，特别是镀银的铜。(在镀银层表面形成的)氧化银优点是具有导电性，并且很容易焊接。表1.1给出了几种金属的导电性和温度系数。 表1.1 几种金属的电导率。 1.1.4 接地环路 机箱单点接地的另外一个理由是，循环的机箱电流与其它接地线结合在一起时会产生所谓的“接地环路”，这是低频磁感应干扰的一个重要来源。 磁场感应出的电流只能在闭环电路中流动。磁场广泛存在于电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz)，还有开关电源中使用的高频开关变压器和电感——以及其它电磁设备周围，如电流接触器、螺线管和风扇。同时还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.5所示。 图1.5：接地环路。 楞次定律告诉我们，环路中感应的电动势(EMF)是： V = -10 -8 × A × n × dB/dt 其中A是单位为cm2的环路面积，B是假设均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度，n是匝数(单匝环路时n=1)。 举个例子，在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机附近通常有一个10 μT 50Hz的磁场，它们以合适的角度穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处安装一段导体并在两端接地的情况下形成的)，这时感应到的电动势是： V = -10 -8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t) = -10 -8 × 10 × 1000π × cos ωt = 314 μV peak 磁场感应通常是一种低频现象(除非你刚好非常靠近一台大功率的无线发射器)，从这个例子可以看出，在大多数情况下感应到的电压是很低的。但在低电平应用中，特别是音频和精密仪器，这些电压就变得相当显著。如果输入电路包含一个接地环路，干扰电压将与有害信号一起直接注入进来，并且无法分离。解决这个问题的方法有： ● 通过只在一点接地打开环路 ● 通过将侵害线靠近地平面或机箱布线或直接短路来减少环路面积(上面公式中的A项) ● 通过重新调整环路或干扰源的位置或方向来减少归一化到环路的磁通量 ● 减少干扰源，比如使用环形变压器 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 第四部分： 第五部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

1.1 接地 任何电子或电气电路都有一个基本属性，即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点，这个公共点习惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动，在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。 这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点，此时这个点被称为0V(零伏)轨，而地和0V通常是同义词(有些令人困惑)。这样，当我们谈到5V电源或-12V电源或2.5V参考电压时，这些电压的参考点都是0V轨。 而实际地并不等同于0V。基于安全的原因，需要用地线将设备连接到大地，在正常工作中地线是不承载电流的。然而，本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的，包括安全地以及信号与电源返回路径。 电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然认为是一样的。事实上，在一个工作电路中只有一个点是真正的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感，欧姆定律告诉我们，在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。 一个工作中的电路将在指定为0V轨的这些导体中形成电流流动，因此如果轨的任何一点处于真正的0V(比方电源连线)，那么轨的其它部分将不等于0V。这种情况可以用图1.1中的例子来解释。 图1.1 0V轨沿线的电压。 假设0V导体具有10mΩ/英寸的电阻，A、B、C和D点分别间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是： V C = (I 1 + I 2 + I 3 ) × 10 mΩ = 400 μV V B = V C + (I 1 + I 2 ) × 10mΩ = 700 μV V A = V B + (I 1 ) × 10mΩ = 900 μV 现在，经过上述深入浅出的介绍后，你可能会说，世界上存在成千上万的电路，它们必定都有0V轨，但它们的工作看起来好得很，因此有什么问题呢？大多数情况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧级别，电流是毫安，因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。0V加上500 μV还是非常接近0V，没有人会担心。 这样的回答问题在于，很容易让人忘记0V轨，并认为在所有条件下都是0V，但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是： ● 当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时； ● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时； ● 最终压降不管值是多少，其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 什么时候考虑接地 优秀的电路设计师的优秀品质之一是，知道何时需要慎重考虑这些条件，何时可以安全地忽略这些条件。通常的复杂性在于，你作为电路设计师可能不负责电路版图，版图设计要交给专门的版图人员完成(他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地对版图来说总是敏感的，不管是分立的布线还是印刷电路板，如果设计要求比较高，设计师就必须在这方面具备一定的知识，并进行有效控制。 这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动，这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话，确保不管这些电流在哪里流动，造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是0V和地线，因为它们是最被认可的，但问题的实质是普遍性的，适用于电流流经的任何导体。电源轨(或轨)是另外一种特殊情况，此时的导体阻抗可能会产生问题。 1.1.1 在一个单元内的接地 本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆，因此你可以确定一个“局部”的接地点，比如主电源地的接入点。图1.2给出了一个例子。 图1.2 典型的单元内部走线机制。 假设如印刷电路板(PCB)1包含输入信号调节电路，PCB2包含用于信号处理的微处理器，PCB3包含大电流输出驱动器，比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上，但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。 电源单元(PSU)为前两块电路板提供低压电源，为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图，图1.2可以用作说明好坏实践的起点。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 1.1.2 机箱地 首先需要注意的是，地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点，这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。 这些连线有主电源安全地(后面会有更详细的讨论)、0V电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接(如变压器中的静电屏蔽)。 机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流1。如果使用多个接地点，即使存在另外一条电流返回路径，机箱中也会有与之成比例的电流流动(图1.3)。具体比例则取决于阻抗比，而阻抗又取决于频率。 图1.3 具有多个接地点的返回电流路径。 这种电流很难预测，而且可能受到结构变化的影响，因此它们会产生极其意外又令人恼火的效应：可能花了很长时间去跟踪振荡或干扰问题，最后发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。 机箱连接处会受腐蚀的影响，因此单元性能可能随时间推移而劣化，而且会受机箱材料表面氧化的影响。如果你使用多点机箱接地，那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。 但是，当要求射频屏蔽和/或低电感接地时，多点接地也许是必须的。 1.1.3 铝的导电特性 由于铝是一种轻量、坚固和高导电性的机箱材料，在整个电子行业中有着广泛的应用——只有银、铜和金具有更高的导电率。铝机箱具有相当低的体电阻，因此非常适合用作导电接地端。 遗憾的是，铝的另外一种属性(在其它情况下非常有用)是它的表面很容易氧化，以致于所有实际使用的铝材都覆盖有一层氧化铝(Al2O3)薄膜。氧化铝是一种绝缘物质。事实上，它的绝缘性能相当好，以致于阳极电镀铝常用作散热器上的绝缘垫圈，因为在这种铝材表面通过化学处理方法专门生成了一层很厚的氧化膜。 这种品质的氧化铝的实用结果是，连接在一起的两层铝之间的接触电阻异常高。实际电气接触只是在氧化膜破裂的地方。因此无论何时只要你想保持由多片铝板做成的机箱的导电连续性，你必须确保铝板紧密地绑定在一起，最好采用焊接或紧固的方法，后者可以使用防震锯齿形垫圈并使之深入铝材表面。 接地点可以采用同样的方法。最好的连接方式是压接或焊接螺柱(因为铝焊接起来比较困难) (图1.4)，但如果这种方式不可用的话，可以在与铝材接触的螺母下面使用防震锯齿形垫圈。 图1.4：到铝材的电气连接。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 其它材料 另外一种常用的机箱材料是镀镉或镀锡的钢材，这种材料不存在氧化的问题。低碳钢的体电阻是铝材的三倍，因此导电性不是太好，但它具有更好的磁屏蔽属性，并且价格较低。 压铸型锌材也非常流行，因为它重量轻，强度大，并且通过压铸工艺很容易做成复杂的形状。锌的导电性是铜的28%。在导电性为主、成本次要的场合(比如射频电路)，还可以使用其它金属，特别是镀银的铜。(在镀银层表面形成的)氧化银优点是具有导电性，并且很容易焊接。表1.1给出了几种金属的导电性和温度系数。 表1.1 几种金属的电导率。 1.1.4 接地环路 机箱单点接地的另外一个理由是，循环的机箱电流与其它接地线结合在一起时会产生所谓的“接地环路”，这是低频磁感应干扰的一个重要来源。 磁场感应出的电流只能在闭环电路中流动。磁场广泛存在于电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz)，还有开关电源中使用的高频开关变压器和电感——以及其它电磁设备周围，如电流接触器、螺线管和风扇。同时还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.5所示。 图1.5：接地环路。 楞次定律告诉我们，环路中感应的电动势(EMF)是： V = -10 -8 × A × n × dB/dt 其中A是单位为cm2的环路面积，B是假设均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度，n是匝数(单匝环路时n=1)。 举个例子，在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机附近通常有一个10 μT 50Hz的磁场，它们以合适的角度穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处安装一段导体并在两端接地的情况下形成的)，这时感应到的电动势是： V = -10 -8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t) = -10 -8 × 10 × 1000π × cos ωt = 314 μV peak 磁场感应通常是一种低频现象(除非你刚好非常靠近一台大功率的无线发射器)，从这个例子可以看出，在大多数情况下感应到的电压是很低的。但在低电平应用中，特别是音频和精密仪器，这些电压就变得相当显著。如果输入电路包含一个接地环路，干扰电压将与有害信号一起直接注入进来，并且无法分离。解决这个问题的方法有： ● 通过只在一点接地打开环路 ● 通过将侵害线靠近地平面或机箱布线或直接短路来减少环路面积(上面公式中的A项) ● 通过重新调整环路或干扰源的位置或方向来减少归一化到环路的磁通量 ● 减少干扰源，比如使用环形变压器 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

1.1 接地 任何电子或电气电路都有一个基本属性，即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点，这个公共点习惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动，在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。 这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点，此时这个点被称为0V(零伏)轨，而地和0V通常是同义词(有些令人困惑)。这样，当我们谈到5V电源或-12V电源或2.5V参考电压时，这些电压的参考点都是0V轨。 而实际地并不等同于0V。基于安全的原因，需要用地线将设备连接到大地，在正常工作中地线是不承载电流的。然而，本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的，包括安全地以及信号与电源返回路径。 电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然认为是一样的。事实上，在一个工作电路中只有一个点是真正的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感，欧姆定律告诉我们，在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。 一个工作中的电路将在指定为0V轨的这些导体中形成电流流动，因此如果轨的任何一点处于真正的0V(比方电源连线)，那么轨的其它部分将不等于0V。这种情况可以用图1.1中的例子来解释。 图1.1 0V轨沿线的电压。 假设0V导体具有10mΩ/英寸的电阻，A、B、C和D点分别间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是： V C = (I 1 + I 2 + I 3 ) × 10 mΩ = 400 μV V B = V C + (I 1 + I 2 ) × 10mΩ = 700 μV V A = V B + (I 1 ) × 10mΩ = 900 μV 现在，经过上述深入浅出的介绍后，你可能会说，世界上存在成千上万的电路，它们必定都有0V轨，但它们的工作看起来好得很，因此有什么问题呢？大多数情况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧级别，电流是毫安，因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。0V加上500 μV还是非常接近0V，没有人会担心。 这样的回答问题在于，很容易让人忘记0V轨，并认为在所有条件下都是0V，但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是： ● 当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时； ● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时； ● 最终压降不管值是多少，其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 什么时候考虑接地 优秀的电路设计师的优秀品质之一是，知道何时需要慎重考虑这些条件，何时可以安全地忽略这些条件。通常的复杂性在于，你作为电路设计师可能不负责电路版图，版图设计要交给专门的版图人员完成(他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地对版图来说总是敏感的，不管是分立的布线还是印刷电路板，如果设计要求比较高，设计师就必须在这方面具备一定的知识，并进行有效控制。 这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动，这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话，确保不管这些电流在哪里流动，造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是0V和地线，因为它们是最被认可的，但问题的实质是普遍性的，适用于电流流经的任何导体。电源轨(或轨)是另外一种特殊情况，此时的导体阻抗可能会产生问题。 1.1.1 在一个单元内的接地 本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆，因此你可以确定一个“局部”的接地点，比如主电源地的接入点。图1.2给出了一个例子。 图1.2 典型的单元内部走线机制。 假设如印刷电路板(PCB)1包含输入信号调节电路，PCB2包含用于信号处理的微处理器，PCB3包含大电流输出驱动器，比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上，但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。 电源单元(PSU)为前两块电路板提供低压电源，为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图，图1.2可以用作说明好坏实践的起点。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 1.1.2 机箱地 首先需要注意的是，地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点，这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。 这些连线有主电源安全地(后面会有更详细的讨论)、0V电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接(如变压器中的静电屏蔽)。 机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流1。如果使用多个接地点，即使存在另外一条电流返回路径，机箱中也会有与之成比例的电流流动(图1.3)。具体比例则取决于阻抗比，而阻抗又取决于频率。 图1.3 具有多个接地点的返回电流路径。 这种电流很难预测，而且可能受到结构变化的影响，因此它们会产生极其意外又令人恼火的效应：可能花了很长时间去跟踪振荡或干扰问题，最后发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。 机箱连接处会受腐蚀的影响，因此单元性能可能随时间推移而劣化，而且会受机箱材料表面氧化的影响。如果你使用多点机箱接地，那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。 但是，当要求射频屏蔽和/或低电感接地时，多点接地也许是必须的。 1.1.3 铝的导电特性 由于铝是一种轻量、坚固和高导电性的机箱材料，在整个电子行业中有着广泛的应用——只有银、铜和金具有更高的导电率。铝机箱具有相当低的体电阻，因此非常适合用作导电接地端。 遗憾的是，铝的另外一种属性(在其它情况下非常有用)是它的表面很容易氧化，以致于所有实际使用的铝材都覆盖有一层氧化铝(Al2O3)薄膜。氧化铝是一种绝缘物质。事实上，它的绝缘性能相当好，以致于阳极电镀铝常用作散热器上的绝缘垫圈，因为在这种铝材表面通过化学处理方法专门生成了一层很厚的氧化膜。 这种品质的氧化铝的实用结果是，连接在一起的两层铝之间的接触电阻异常高。实际电气接触只是在氧化膜破裂的地方。因此无论何时只要你想保持由多片铝板做成的机箱的导电连续性，你必须确保铝板紧密地绑定在一起，最好采用焊接或紧固的方法，后者可以使用防震锯齿形垫圈并使之深入铝材表面。 接地点可以采用同样的方法。最好的连接方式是压接或焊接螺柱(因为铝焊接起来比较困难) (图1.4)，但如果这种方式不可用的话，可以在与铝材接触的螺母下面使用防震锯齿形垫圈。 图1.4：到铝材的电气连接。 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 其它材料 另外一种常用的机箱材料是镀镉或镀锡的钢材，这种材料不存在氧化的问题。低碳钢的体电阻是铝材的三倍，因此导电性不是太好，但它具有更好的磁屏蔽属性，并且价格较低。 压铸型锌材也非常流行，因为它重量轻，强度大，并且通过压铸工艺很容易做成复杂的形状。锌的导电性是铜的28%。在导电性为主、成本次要的场合(比如射频电路)，还可以使用其它金属，特别是镀银的铜。(在镀银层表面形成的)氧化银优点是具有导电性，并且很容易焊接。表1.1给出了几种金属的导电性和温度系数。 表1.1 几种金属的电导率。 1.1.4 接地环路 机箱单点接地的另外一个理由是，循环的机箱电流与其它接地线结合在一起时会产生所谓的“接地环路”，这是低频磁感应干扰的一个重要来源。 磁场感应出的电流只能在闭环电路中流动。磁场广泛存在于电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz)，还有开关电源中使用的高频开关变压器和电感——以及其它电磁设备周围，如电流接触器、螺线管和风扇。同时还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.5所示。 图1.5：接地环路。 楞次定律告诉我们，环路中感应的电动势(EMF)是： V = -10 -8 × A × n × dB/dt 其中A是单位为cm2的环路面积，B是假设均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度，n是匝数(单匝环路时n=1)。 举个例子，在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机附近通常有一个10 μT 50Hz的磁场，它们以合适的角度穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处安装一段导体并在两端接地的情况下形成的)，这时感应到的电动势是： V = -10 -8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t) = -10 -8 × 10 × 1000π × cos ωt = 314 μV peak 磁场感应通常是一种低频现象(除非你刚好非常靠近一台大功率的无线发射器)，从这个例子可以看出，在大多数情况下感应到的电压是很低的。但在低电平应用中，特别是音频和精密仪器，这些电压就变得相当显著。如果输入电路包含一个接地环路，干扰电压将与有害信号一起直接注入进来，并且无法分离。解决这个问题的方法有： ● 通过只在一点接地打开环路 ● 通过将侵害线靠近地平面或机箱布线或直接短路来减少环路面积(上面公式中的A项) ● 通过重新调整环路或干扰源的位置或方向来减少归一化到环路的磁通量 ● 减少干扰源，比如使用环形变压器 【分页导航】 第1页： 电路中的地 第2页： 什么时候考虑接地 第3页： 机箱地；铝的导电特性 第4页： 接地环路 【系列文章】 第二部分： 第三部分： 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

任何电子或电气电路都有一个基本属性，即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点，这个公共点习惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动，在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。 这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点，此时这个点被称为0V(零伏)轨，而地和0V通常是同义词(有些令人困惑)。这样，当我们谈到5V电源或-12V电源或2.5V参考电压时，这些电压的参考点都是0V轨。 而实际地并不等同于0V。基于安全的原因，需要用地线将设备连接到大地，在正常工作中地线是不承载电流的。然而，本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的，包括安全地以及信号与电源返回路径。 电路中出现问题的最大一个原因也许是将0V和地想当然认为是一样的。事实上，在一个工作电路中只有一个点是真正的0V。“0V轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感，欧姆定律告诉我们，在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。 一个工作中的电路将在指定为0V轨的这些导体中形成电流流动，因此如果轨的任何一点处于真正的0V(比方电源连线)，那么轨的其它部分将不等于0V。这种情况可以用图1.1中的例子来解释。 图1.1 0V轨沿线的电压。 假设0V导体具有10mΩ/英寸的电阻，A、B、C和D点分别间隔一英寸。那么A、B和C点相对于D点的电压是： V C = (I 1 + I 2 + I 3 ) × 10 mΩ = 400 μV V B = V C + (I 1 + I 2 ) × 10mΩ = 700 μV V A = V B + (I 1 ) × 10mΩ = 900 μV 现在，经过上述深入浅出的介绍后，你可能会说，世界上存在成千上万的电路，它们必定都有0V轨，但它们的工作看起来好得很，因此有什么问题呢？大多数情况下确实没有问题。0V导体的阻抗是毫欧级别，电流是毫安，因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。0V加上500 μV还是非常接近0V，没有人会担心。 这样的回答问题在于，很容易让人忘记0V轨，并认为在所有条件下都是0V，但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是： ● 当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时； ● 0V导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时； ● 最终压降不管值是多少，其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 什么时候考虑接地 优秀的电路设计师的优秀品质之一是，知道何时需要慎重考虑这些条件，何时可以安全地忽略这些条件。通常的复杂性在于，你作为电路设计师可能不负责电路版图，版图设计要交给专门的版图人员完成(他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地对版图来说总是敏感的，不管是分立的布线还是印刷电路板，如果设计要求比较高，设计师就必须在这方面具备一定的知识，并进行有效控制。 这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动，这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话，确保不管这些电流在哪里流动，造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是0V和地线，因为它们是最被认可的，但问题的实质是普遍性的，适用于电流流经的任何导体。电源轨(或轨)是另外一种特殊情况，此时的导体阻抗可能会产生问题。 1 在一个单元内的接地 本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆，因此你可以确定一个“局部”的接地点，比如主电源地的接入点。图1.2给出了一个例子。 图1.2 典型的单元内部走线机制。 假设如印刷电路板(PCB)1包含输入信号调节电路，PCB2包含用于信号处理的微处理器，PCB3包含大电流输出驱动器，比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上，但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。 电源单元(PSU)为前两块电路板提供低压电源，为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图，图1.2可以用作说明好坏实践的起点。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 2 机箱地 首先需要注意的是，地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点，这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。 这些连线有主电源安全地(后面会有更详细的讨论)、0V电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接(如变压器中的静电屏蔽)。 机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流1。如果使用多个接地点，即使存在另外一条电流返回路径，机箱中也会有与之成比例的电流流动(图1.3)。具体比例则取决于阻抗比，而阻抗又取决于频率。 图1.3 具有多个接地点的返回电流路径。 这种电流很难预测，而且可能受到结构变化的影响，因此它们会产生极其意外又令人恼火的效应：可能花了很长时间去跟踪振荡或干扰问题，最后发现当机箱板上一颗不起眼的螺钉经过紧固后问题消失了。 机箱连接处会受腐蚀的影响，因此单元性能可能随时间推移而劣化，而且会受机箱材料表面氧化的影响。如果你使用多点机箱接地，那么更加仔细地考虑机箱电气结构就很有必要。 但是，当要求射频屏蔽和/或低电感接地时，多点接地也许是必须的。 3 铝的导电特性 由于铝是一种轻量、坚固和高导电性的机箱材料，在整个电子行业中有着广泛的应用——只有银、铜和金具有更高的导电率。铝机箱具有相当低的体电阻，因此非常适合用作导电接地端。 遗憾的是，铝的另外一种属性(在其它情况下非常有用)是它的表面很容易氧化，以致于所有实际使用的铝材都覆盖有一层氧化铝(Al2O3)薄膜。氧化铝是一种绝缘物质。事实上，它的绝缘性能相当好，以致于阳极电镀铝常用作散热器上的绝缘垫圈，因为在这种铝材表面通过化学处理方法专门生成了一层很厚的氧化膜。 这种品质的氧化铝的实用结果是，连接在一起的两层铝之间的接触电阻异常高。实际电气接触只是在氧化膜破裂的地方。因此无论何时只要你想保持由多片铝板做成的机箱的导电连续性，你必须确保铝板紧密地绑定在一起，最好采用焊接或紧固的方法，后者可以使用防震锯齿形垫圈并使之深入铝材表面。 接地点可以采用同样的方法。最好的连接方式是压接或焊接螺柱(因为铝焊接起来比较困难) (图1.4)，但如果这种方式不可用的话，可以在与铝材接触的螺母下面使用防震锯齿形垫圈。 图1.4：到铝材的电气连接。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 其它材料 另外一种常用的机箱材料是镀镉或镀锡的钢材，这种材料不存在氧化的问题。低碳钢的体电阻是铝材的三倍，因此导电性不是太好，但它具有更好的磁屏蔽属性，并且价格较低。 压铸型锌材也非常流行，因为它重量轻，强度大，并且通过压铸工艺很容易做成复杂的形状。锌的导电性是铜的28%。在导电性为主、成本次要的场合(比如射频电路)，还可以使用其它金属，特别是镀银的铜。(在镀银层表面形成的)氧化银优点是具有导电性，并且很容易焊接。表1.1给出了几种金属的导电性和温度系数。 表1.1 几种金属的电导率。 4 接地环路 机箱单点接地的另外一个理由是，循环的机箱电流与其它接地线结合在一起时会产生所谓的“接地环路”，这是低频磁感应干扰的一个重要来源。 磁场感应出的电流只能在闭环电路中流动。磁场广泛存在于电源变压器周围——不仅是传统的50Hz主变(美国是60Hz)，还有开关电源中使用的高频开关变压器和电感——以及其它电磁设备周围，如电流接触器、螺线管和风扇。同时还可能存在外部磁场。接地环路的感应机制如图1.5所示。 图1.5：接地环路。 楞次定律告诉我们，环路中感应的电动势(EMF)是： V = -10 -8 × A × n × dB/dt 其中A是单位为cm2的环路面积，B是假设均匀磁场条件下单位为μT的归一化通量密度，n是匝数(单匝环路时n=1)。 举个例子，在合理尺寸的主变压器、电流接触器或电机附近通常有一个10 μT 50Hz的磁场，它们以合适的角度穿过一个面积为10cm2的环路平面(这个平面是在长10cm的机箱上方1cm处安装一段导体并在两端接地的情况下形成的)，这时感应到的电动势是： V = -10 -8 × 10 × d/dt(10 × sin 2π × 50 × t) = -10 -8 × 10 × 1000π × cos ωt = 314 μV peak 磁场感应通常是一种低频现象(除非你刚好非常靠近一台大功率的无线发射器)，从这个例子可以看出，在大多数情况下感应到的电压是很低的。但在低电平应用中，特别是音频和精密仪器，这些电压就变得相当显著。如果输入电路包含一个接地环路，干扰电压将与有害信号一起直接注入进来，并且无法分离。解决这个问题的方法有： ● 通过只在一点接地打开环路 ● 通过将侵害线靠近地平面或机箱布线或直接短路来减少环路面积(上面公式中的A项) ● 通过重新调整环路或干扰源的位置或方向来减少归一化到环路的磁通量 ● 减少干扰源，比如使用环形变压器 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载