地的学问与地弹 Grounding & Ground Bounce
“地”在电路图里画成一根横线，看起来是 0V。真实的“地”是一段有电阻、有电感、有电流流过的导体：2A 电流流过 10mΩ 的地，就有 20mV；1A 高频电流流过 10nH 的地，10MHz 下就是 0.628V。数字电路同时开关时，地线上的 L\,di/dt 会把芯片内部的参考地瞬间顶起来，这就是地弹（Ground Bounce）；模拟电路的地回流一旦和数字大电流共用一段阻抗，几毫伏的地噪声就能吃掉 16 位 ADC 的几个码。
这一章把“地”从 0V 的符号还原成阻抗网络：先讲单点、多点、混合接地的适用条件，再算地环路、共模噪声和地弹，最后用一个混合信号板的接地规划，把“分割还是桥接”“星形还是平面”“信号地还是保护地”一次讲清。
1. 设计动机
场景一：16 位 ADC 的地被数字电流踩了一脚。 5V 满量程、16 位 ADC 的 1 LSB 只有 5/2^{16}=76.3\ \mu\text{V}。数字侧 0.5A 的开关电流经过一段 5mΩ 的共用地，产生 2.5mV 的地噪声，相当于 32.8 个 LSB；如果这段地还有 2nH 电感、电流在 2ns 内跳变，尖峰可到 0.5V。ADC 读到的不是输入信号，而是“地 + 信号”。
场景二：单点星形接地用在了 100MHz 的板上。 星形接地的本意是让各模块的地电流在一点汇合，避免共阻耦合；但每条支路都是一根长导线，高频下电感和天线效应占主导。50mm 的地支路约 20nH，0.1A/ns 的返回电流就能打出 2V 的地弹。星形接地是低频方法，不是万能公式。
场景三：把 ESD 地线接到 PE 上。 防静电台垫的接地线通常串 1MΩ 限流电阻；有人为了“接地更可靠”，把它直接接到设备外壳/PE。正常泄放静电时看不出问题，一旦设备内部故障使外壳带电，这条细线承受不了故障电流，可能烧断、引燃，外壳也得不到低阻保护。ESD 地、信号地、保护地是三套目标不同的系统，不能混接。
接地设计要同时满足四个目标，它们经常互相冲突：
| 目标 | 要控制什么 | 典型手段 | 失效后果 |
|---|---|---|---|
| 信号参考 | 地电位差、地弹 | 完整地平面、回流路径、分区 | 误触发、ADC 码跳、通信误码 |
| 共模/EMI | 共模电流环路、天线效应 | 共模扼流圈、屏蔽、低电感回流 | 辐射超标、抗扰度下降 |
| 人身安全 | 故障电流、接触电压 | PE、等电位、RCD、自动切断 | 触电、起火 |
| 雷击/ESD | 瞬态大电流、能量 | 防雷接地、等电位、SPD、ESD 接地 | 设备损坏、火灾 |
这四件事不能用一个“地”字糊过去。信号地是参考，PE 是安全通路，ESD 地是静电泄放，防雷地是瞬态大电流通路；它们的阻抗量级、电流大小和适用标准都不同。 安全接地的边界与现场判断见安全用电与触电防护，本章讲信号/混合信号接地，并在涉及 PE、雷击、ESD 时明确适用前提。
2. 定义与直观
地（Ground）在电子系统里通常指电路的参考导体，也是回流电流的路径。理想地的电位处处相同、阻抗为零；真实地有电阻 R、电感 L、电容耦合和天线效应，所以不同位置的“地”电位不同。“地不是 0V”不是哲学讨论，而是 V=IR 和 V=L\,di/dt 的直接结果。
三种基本接地拓扑：
| 拓扑 | 做法 | 优点 | 缺点 | 适用 |
|---|---|---|---|---|
| 单点/星形 | 各模块地线各自回到一个点 | 避免共阻耦合，低频干净 | 支路长、电感大，高频易辐射/地弹 | 低频、小信号、多模块隔离 |
| 多点 | 各点就近接同一地平面 | 回流路径短、电感低 | 可能形成地环路，数字电流扩散 | 高频数字、完整平面 |
| 混合 | 分区 + 单点桥接/平面 | 兼顾低频隔离与高频回流 | 设计复杂，桥接位置敏感 | 混合信号、ADC/接口 |
星形接地的直觉是“所有电流在一点汇合，谁也不占谁的便宜”。这在 DC/低频成立：只要各支路电流不共用同一段电阻，就没有共阻耦合。但高频电流不走“电阻最小”的路径，而走电感最小的路径；一条 50mm 的星形支路，电感可能比整块地平面还大，反而把地弹和辐射做大。拓扑选择的第一变量是频率/边沿速率，不是“模拟/数字”这个标签。
混合信号板常见的做法是：不把整块地平面切成“模拟地”和“数字地”两块，而是保持连续地平面，用器件摆放和回流路径把模拟/数字电流分开；ADC 的 AGND/DGND 按数据手册在器件下方连接。 如果确实需要分割，只在 ADC/隔离器下方留一个窄桥，桥要宽、短、多过孔，并且任何信号都不能跨过分割缝。这个取舍在 3.4 节和 4.1 节用数字算。
地环路与共模噪声的形成，可以用两个机制描述：
- 磁通穿过环路：两根设备之间的信号线和地线构成一个环路，交变磁场穿过环路产生感应电压 V=-d\Phi/dt。环路面积越大、频率越高，感应电压越大。
- 共用地阻抗：两个模块共用一段地线，一个模块的返回电流在 R_g、L_g 上产生压降，这个压降串进另一个模块的参考地。低频看 I R_g，高频看 L_g\,di/dt。
3. 定量关系
3.1 地的直流电阻与交流电感
一段导体的电阻：
R=\rho\frac{l}{A}其中 \rho 是电阻率，\Omega\cdot\text{m}；l 是长度，m；A 是截面积，\text{m}^2。以 1oz 铜（35µm）、25mm 长、2mm 宽的走线为例：
R=1.72\times10^{-8}\times\frac{0.025}{0.002\times35\times10^{-6}} =\frac{4.30\times10^{-10}}{7.0\times10^{-8}}=6.14\times10^{-3}\ \Omega=6.14\ \text{m}\Omega1A 直流电流产生：
V=IR=1\times6.14\times10^{-3}=6.14\ \text{mV}对 1mV 的小信号，这已经是 6 倍的误差。若走线更长、更窄，或者连接器接触电阻更大，几毫伏到几十毫伏很常见。
高频下电感占主导。走线/平面的电感量级：
- 架空细导线：约 1nH/mm；
- 地平面之上的走线：约 0.2~0.5nH/mm；
- 1mm 过孔：约 0.7nH；
- 50mm 的地支路：约 10~25nH。
以 L=10\ \text{nH}、I=1\ \text{A}、f=10\ \text{MHz} 为例：
V=L\frac{di}{dt}\approx 2\pi fLI =2\pi\times10\times10^6\times10\times10^{-9}\times1=0.628\ \text{V}同样的 1A，直流只有 6.14mV，10MHz 却是 0.628V，相差约 102 倍。频率越高，地越不像“地”。
3.2 地弹：L\,di/dt 与同步开关噪声
芯片输出翻转时，负载电容的充放电电流必须经芯片地引脚、键合线、封装、PCB 地平面返回。地引脚电感上的压降：
V_{bounce}=L_{gnd}\frac{di}{dt}其中 L_{gnd} 是地引脚+键合线+过孔的总电感，H；di/dt 是返回电流的变化率，A/s；V_{bounce} 是地弹电压，V。
设 8 条输出同时开关，每条在 1ns 内从 0 变到 50mA，总电流变化率：
\frac{di}{dt}=\frac{8\times0.050}{1\times10^{-9}}=4.0\times10^{8}\ \text{A/s}取 L_{gnd}=2\ \text{nH}：
V_{bounce}=2\times10^{-9}\times4.0\times10^{8}=0.80\ \text{V}0.8V 的地弹足以让 3.3V LVCMOS 的输入门限漂移，甚至误触发。把 8 根地引脚并联，L_{gnd} 降到约 0.25nH：
V_{bounce}=0.25\times10^{-9}\times4.0\times10^{8}=0.10\ \text{V}把边沿从 1ns 放慢到 2ns，di/dt 减半，地弹再减半到 0.05V。三种手段——多地引脚、降低 L_{gnd}、降低 di/dt——都是围绕同一个式子。
同步开关噪声（Simultaneous Switching Noise, SSN）是地弹的集体版本：多条输出同时翻转，电流在同一个地引脚/封装电感上叠加。SSN 不只与输出数有关，还与封装内电源/地引脚分配、芯片内部去耦、PCB 地过孔有关。数据手册的 SSN 曲线通常给出“多少条输出同时开关、地弹多大”的统计，不能用一个 L\,di/dt 公式包打天下。
一些资料用 L_{gnd}=5\ \text{nH}、di/dt=1\ \text{A/ns} 算出 5V，算术上成立，但这是一个极端上界：5nH 对现代封装偏大，1A/ns 也是非常快的边沿；实际芯片地弹更常见的是百 mV 量级，而且波形是边沿期间的尖峰加振铃，不是持续 5V。把它当作“数量级警告”可以，不能当成所有逻辑门的普遍值。真正设计时要用封装/引脚的 L_{gnd}、实际 di/dt 和 SSN 数据手册曲线。
3.3 共阻耦合与地环路
两个模块共用一段地，模块 A 的返回电流 I_A 在公共地阻抗上产生压降，叠加到模块 B 的参考地：
V_{noise}=I_A(R_g+j\omega L_g)低频时 V\approx I_A R_g，高频时 V\approx j\omega L_g I_A。以 R_g=5\ \text{m}\Omega、L_g=10\ \text{nH}、I_A=0.5\ \text{A}、f=1\ \text{MHz}：
|V_{noise}|=0.5\times\sqrt{(0.005)^2+(2\pi\times10^6\times10\times10^{-9})^2} =0.5\times\sqrt{2.5\times10^{-5}+3.95\times10^{-3}} \approx0.5\times0.0631=31.6\ \text{mV}31.6mV 的地噪声，对 1mV 级模拟信号是致命的。共阻耦合的关键不是“地线有多粗”，而是“谁和谁共用哪一段地”。
地环路的磁感应电压：
V_{loop}=-\frac{d\Phi}{dt}=-\frac{d}{dt}(BA\cos\theta)对正弦磁场 B(t)=B_m\sin(2\pi ft)：
V_{loop}=2\pi fBA\cos\theta以 A=0.1\ \text{m}^2、B=1\ \mu\text{T}、\theta=0 为例：
- 50Hz：V=2\pi\times50\times1\times10^{-6}\times0.1=31.4\ \mu\text{V}；
- 1MHz：V=2\pi\times10^6\times1\times10^{-6}\times0.1=0.628\ \text{V}。
同样的环路，50Hz 只有 31µV，1MHz 就有 0.628V。地环路对高频/快速瞬态特别敏感；缩短环路面积、双绞、屏蔽、共模扼流圈都是围绕 A 和 di/dt 做文章。
3.4 单点、多点与混合：什么时候用哪种
工程判断可以用“最高 Significant 频率”的电长度：
f_{knee}\approx\frac{0.35}{t_r}其中 t_r 是信号上升时间，s；f_{knee} 是边沿的近似带宽，Hz。若互连长度 l 接近或超过 \lambda/20，就应按分布参数/地平面处理：
l\gtrsim\frac{\lambda}{20}=\frac{c}{20f_{knee}\sqrt{\varepsilon_{eff}}}以 t_r=1\ \text{ns}、f_{knee}=350\ \text{MHz}、\varepsilon_{eff}\approx4 为例，\lambda\approx0.43\ \text{m}，\lambda/20\approx21\ \text{mm}。一块 100mm 的板早就超过这个尺度，必须用完整地平面；而 50Hz 的模拟电路，波长 6000km，星形接地完全够用。
这张表可以作为起点，但不能替代仿真/实测：
| 场景 | 首选 | 原因 |
|---|---|---|
| 低频、小信号、多模块 | 单点/星形 | 避免共阻耦合，回流路径可控 |
| 高速数字、完整平面 | 多点/平面 | 回流电感低，SSN 小 |
| 混合信号 | 连续平面 + 分区/桥接 | 兼顾回流与隔离 |
| 高精度模拟前端 | 模拟区独立、静地、保护环 | 减少数字电流和漏电 |
| 安全/防雷/ESD | 按各自标准独立设计 | 目标与能量量级不同 |
3.5 模拟地/数字地的分离与代价
把地平面切成 AGND/DGND 两块，直觉是“数字噪声不进入模拟区”。但分割的代价是：
- 回流被迫绕行：任何跨分割缝的信号，回流不能走信号正下方的地平面，只能绕到桥接点，环路面积和电感骤增。
- 桥接点成为瓶颈：所有跨区电流都挤过桥，桥的电感/电阻决定共模噪声。
- 缝隙变成天线：长缝会形成偶极子/槽天线，辐射和抗扰度都变差。
用数字算：一条 20mm 的分割缝，让回流多绕 20mm，附加电感按 0.4nH/mm 估算约 8nH；0.25A/ns 的返回电流产生：
V=8\times10^{-9}\times0.25\times10^9=2.0\ \text{V}而完整平面下，同样的电流走 8 个地过孔（每个 0.7nH 并联）加平面扩散，总电感约 0.15nH：
V=0.15\times10^{-9}\times0.25\times10^9=37.5\ \text{mV}两者差 53 倍。如果分割缝正好在高速信号下方，分割不但没有“隔离噪声”，反而制造了更大的共模电压。
现代混合信号器件的常见建议是：保持连续地平面，把模拟器件和数字器件分开放，让数字回流待在数字区、模拟回流待在模拟区；ADC 的 AGND/DGND 在器件下方按数据手册连接，而不是把整块板切成两个地。 有些 ADC 数据手册确实要求分割，此时应把分割限制在 ADC 下方，提供一个宽而短的桥，并确保没有信号跨越分割；具体以器件数据手册和 ADI MT-031 的口径为准。
一些资料把“AGND/DGND 单点汇合”当成普遍规则，这只适用于低频、小信号、回流可分离的场合，或者特定 ADC 数据手册的要求；对高速混合信号板，整板单点汇合会让回流绕远、电感增大。正确顺序是：先看器件数据手册和最高频率，再决定连续平面、分区还是局部桥，不能先画一个星形点再让所有地都接过去。
3.6 “地不是 0V”的定量表
| 场景 | 电流/频率 | 地阻抗 | 地电压 |
|---|---|---|---|
| 2A 直流过 10mΩ 平面 | 2A DC | 10mΩ | 20mV |
| 1A 过 10nH 地线 | 1A，10MHz | j0.628\Omega | 0.628V |
| 8 路输出同时开关 | 0.4A/ns | 2nH | 0.80V |
| 地环路 0.1m²，1µT | 50Hz | 磁感应 | 31.4µV |
| 地环路 0.1m²，1µT | 1MHz | 磁感应 | 0.628V |
| 0.5A 过 5mΩ+10nH | 0.5A，1MHz | 5m\Omega+j62.8m\Omega | 31.6mV |
这张表说明：“地”不是一个点，而是一个随频率和位置变化的阻抗网络；同一个地，在 DC、1MHz、开关边沿下可以是 mV、百 mV、V 三个量级。
3.7 信号地、保护地、ESD 地、防雷地
| 类型 | 主要目标 | 典型电流/能量 | 阻抗要求 | 标准/做法 |
|---|---|---|---|---|
| 信号地 | 提供参考、回流 | mA~A，高频 | 低电感、完整平面 | 叠层/布局/回流设计 |
| 保护地 PE | 人身安全、故障切断 | 故障电流可达数十~数百 A | 低阻抗、等电位、自动切断 | GB/T 16895.21、PE 导体 |
| ESD 地 | 泄放静电荷 | HBM 2kV/100pF 约 0.2mJ | 1MΩ 腕带限流、耗散 | IEC 61340-5-1、ANSI/ESD S20.20 |
| 防雷地 | 雷击/浪涌大电流 | 100kA 量级，10/350µs 波形 | 等电位、低阻抗、引下线 | IEC 62305、GB 50057 |
保护地（PE）不能用 ESD 地线代替。 ESD 腕带串 1MΩ 是为了限流：人体误碰 220V 时，电流约 220/10^6=0.22\ \text{mA}，既能泄放静电，又不至于让人体成为低阻通路；但这 1MΩ 承受不了故障电流，也不能给外壳提供低阻通路。反过来，PE 直接当 ESD 地也不合适：PE 上的工频/故障电流会干扰静电泄放，而且 ESD 接地需要按 ESD 标准做限流/耗散。正确做法是两套接地各自按标准设计，在公共接地点按规范等电位连接，具体由 ESD 工程师和持证电气人员确认。
防雷地更不是信号地。 雷击电流是 100kA 量级、10/350µs 波形的瞬态大电流，靠的是接闪器、引下线、接地装置、等电位联结和 SPD 的分流/钳位；信号地平面和 PCB 地过孔承受不了这种能量。把雷击电流引入信号地，轻则烧板，重则起火。防雷设计必须按 IEC 62305 / GB 50057 由专业人员做，本章只讲“不能混”，不给施工参数。
适用前提：PE、RCD、防雷、ESD 的现场做法依赖配电制式、接地电阻、土壤、建筑结构和当地规范，不能照本章公式施工。涉及市电、雷击、接地系统的作业，必须按安全用电与触电防护的隔离、验电、放电和专业复核流程执行。
4. 典型计算
4.1 混合信号板的接地规划
需求与假设：
| 项目 | 取值 |
|---|---|
| 板尺寸 | 100mm×80mm，4 层 |
| ADC | 16 位，5V 满量程，1MSPS |
| 数字侧 | 3.3V，0.5A 负载阶跃，边沿 2ns |
| 模拟侧 | 传感器前端，1mV 级信号 |
| 目标 | ADC 处地噪声 <1mV（约 13 LSB），再靠差分/滤波降低有效噪声 |
| 叠层 | 信号—地—电源—信号，地平面完整 |
第一步，ADC 的 1 LSB：
V_{LSB}=\frac{5}{2^{16}}=\frac{5}{65536}=76.3\ \mu\text{V}1mV 地噪声相当于：
\frac{1\times10^{-3}}{76.3\times10^{-6}}=13.1\ \text{LSB}16 位系统想做到 1 LSB 级，地噪声要低于 76µV；这在 0.5A 数字电流旁边非常困难。工程上先把地弹压到 1mV 量级，再用差分输入、基准去耦、RC 滤波、屏蔽和数字滤波把有效噪声压下去。不能承诺“地平面一铺，16 位就准”。
第二步，数字 IC 的地弹。 0.5A 在 2ns 内跳变：
\frac{di}{dt}=\frac{0.5}{2\times10^{-9}}=2.5\times10^{8}\ \text{A/s}完整平面、8 个地过孔（每个 0.7nH 并联）加封装/平面扩散，总电感约 0.15nH：
V_{bounce}=0.15\times10^{-9}\times2.5\times10^{8}=37.5\ \text{mV}这是数字 IC 本地地的量级。若地平面被 20mm 缝切断，回流多绕 20mm，附加 8nH：
V_{bounce}=8\times10^{-9}\times2.5\times10^{8}=2.0\ \text{V}2V 的地弹会让数字接口误触发，也会通过共用桥/连接器污染模拟区。连续平面与分割平面的差别，不是“干净一点”，而是 37.5mV 与 2V 的差别。
第三步，ADC 处的地噪声。 假设 ADC 的 AGND/DGND 在器件下方连接，数字回流只有 0.05A/ns 经过这段共用路径，共用电感 0.2nH：
V_{ADC}=0.2\times10^{-9}\times0.05\times10^{9}=10\ \text{mV}10mV 是 131 LSB，仍然太大。要压到 1mV，共用电感要降到：
L_{share}\le\frac{1\times10^{-3}}{0.05\times10^{9}}=2.0\times10^{-11}\ \text{H}=0.020\ \text{nH}0.020nH 在 PCB 上几乎不可能靠“一段桥”实现，所以不能只靠地平面：必须让数字回流根本不经过 ADC 的模拟地，ADC 的模拟输入采用差分/滤波，基准单独去耦，数字输出与模拟输入物理分开。地平面负责“不恶化”，差分/滤波/隔离负责“把剩下的噪声压到可接受”。
第四步，星形接地的对比。 若用 50mm 的星形地支路，电感约 20nH，0.25A/ns 的返回电流：
V=20\times10^{-9}\times0.25\times10^{9}=5.0\ \text{V}星形接地在低频能避免共阻，但在 2ns 边沿下就是 5V 地弹。这就是为什么高速混合信号板不能照搬“星形接地”口诀。
第五步，分割与桥接的取舍。 若 ADC 数据手册要求 AGND/DGND 分开，做法应是：
- 在 ADC 下方留一个局部桥，桥宽 ≥3mm、长 ≤2mm，尽量短；
- 桥两端各打多个地过孔，降低桥电感；
- 任何信号都不跨越分割缝；模拟信号走模拟区，数字信号走数字区；
- 桥只连接 ADC 的 AGND/DGND，不让数字大电流借桥回流；
- 用 0Ω/磁珠/电容做单点连接时，要按器件手册和实测，不能凭感觉。
桥的电感按 0.3nH 估算，0.05A/ns 经过时：
V_{bridge}=0.3\times10^{-9}\times0.05\times10^{9}=15\ \text{mV}15mV 仍是 197 LSB，说明“桥”只能解决直流/低频电位差，不能解决高频地弹；高频还要靠分区、差分、滤波和封装。分割不是错，错在把分割当成万能隔离；桥接也不是错，错在桥太窄、太长、还让数字电流走桥。
第六步，规划结论：
| 项目 | 方案 | 理由 |
|---|---|---|
| 地平面 | 连续，不整板分割 | 回流电感最低，避免 2V 地弹 |
| 分区 | 模拟在左、数字在右，ADC 跨分区 | 用摆放控制回流，而不是用地缝 |
| ADC 地 | AGND/DGND 在器件下方按手册连接，必要时局部桥 | 兼顾手册要求与回流 |
| 过孔 | 每个地引脚至少 1 个，关键器件 4~8 个 | 降低 L_{gnd} |
| 电源 | 模拟电源独立 LDO/滤波，数字电源去耦 | 防止数字噪声经电源耦合 |
| 信号 | 模拟差分/屏蔽，数字远离模拟输入 | 降低环路面积和串扰 |
| 保护 | PE、ESD、防雷各自独立，按标准连接 | 不能混接 |
这个规划不能保证 16 位精度；它只是把地噪声从“V 级”压到“10mV 级”。剩下的 10mV 要靠差分输入、基准、滤波、屏蔽、布局和校准共同解决。任何“铺了地平面就 16 位无噪声”的说法都不成立。
4.2 地环路与共模噪声算例
需求：两块板通过 1m 电缆连接，电缆中的地线电感约 0.8µH；两块板之间有 1A/µs 的共模电流（例如电机驱动/开关电源的共模噪声）。求地线两端的共模电压。
第一步，共模压降：
V_{cm}=L\frac{di}{dt}=0.8\times10^{-6}\times1\times10^{6}=0.8\ \text{V}0.8V 的共模电压足以让 3.3V 接口误判，也会驱动电缆成为天线。
第二步，加共模扼流圈。若共模电感 L_{cm}=100\ \mu\text{H}，同样 1A/µs：
V=100\times10^{-6}\times1\times10^{6}=100\ \text{V}这个电压大部分降在扼流圈上，而不是电缆/接口上；但扼流圈本身要能承受共模电流而不饱和，差模电流不能让它饱和。选型要看共模阻抗、额定电流、直流电阻和饱和特性。
第三步，缩短/双绞。把环路面积从 0.1m² 降到 0.01m²，1µT/1MHz 的磁感应电压从 0.628V 降到 62.8mV；双绞让磁场在相邻绞距内抵消，进一步降低。共模噪声不是靠“加一个电容”就能解决的，要同时看源、路径和天线。
4.3 ESD、PE 与雷击的能量对比
ESD：HBM 2kV/100pF 的能量：
E=\frac{1}{2}CU^2=\frac{1}{2}\times100\times10^{-12}\times(2000)^2=0.2\ \text{mJ}ESD 能量通常不足以伤人，却足以打坏芯片；ESD 接地的目标是“缓慢泄放 + 限流”，所以腕带串 1MΩ。人体误碰 220V 时，1MΩ 把电流限制在 0.22mA；这不是“防触电保护”，只是 ESD 工作的限流措施。
PE：220V 故障回路电流可达数十到数百安，PE 要在保护电器动作前承受故障电流，靠低阻抗和等电位把接触电压压住；具体判据是 TN 的 Z_s、TT 的 R_A 与 RCD 配合，见安全用电与触电防护。PE 的设计目标是“故障时快速切断”，不是“平时泄放静电”。
雷击：100kA 量级、10/350µs 波形的瞬态电流，能量远大于 ESD 和普通故障电流；靠接闪器、引下线、接地装置、等电位和 SPD 分流，不能靠 PCB 地平面或 ESD 腕带。雷击接地必须按 IEC 62305 / GB 50057 由专业人员设计；本章的公式不能用于防雷施工。
三者对比：
| 项目 | ESD | PE | 雷击 |
|---|---|---|---|
| 典型电流 | mA~A，ns~µs | 数十~数百 A，ms~s | 100kA 量级，µs |
| 典型能量 | 0.2mJ（HBM） | 焦耳~千焦耳 | 千焦耳~兆焦耳 |
| 目标 | 保护器件、泄放静电 | 人身安全、切断故障 | 建筑物/设备防雷 |
| 关键手段 | 1MΩ 腕带、台垫、TVS | PE、等电位、RCD、自动切断 | 接闪、引下线、接地、SPD |
| 标准 | IEC 61340-5-1 | GB/T 16895.21 | IEC 62305、GB 50057 |
这张表的核心结论是“不能混”，不是“哪个更安全”。 每一种接地都有适用前提；把 ESD 地当 PE、把 PE 当信号地、把雷击电流引入信号地，都会让原本的保护失效。
5. 工程含义
5.1 数量级速查
| 量 | 典型量级 | 说明 |
|---|---|---|
| PCB 走线电阻 | 5~20mΩ/25mm | 1oz 铜、2mm 宽 |
| 走线电感 | 0.2~0.5nH/mm | 地平面之上 |
| 过孔电感 | 0.5~0.8nH/个 | 1mm 长、0.3mm 直径 |
| 芯片地弹 | 几十 mV~V | 取决于 L_{gnd}、di/dt、SSN |
| 地环路磁感应 | µV~V | 取决于面积、频率、磁场 |
| ESD 腕带电阻 | 1MΩ | 限流，不是 PE |
| PE 故障电流 | 数十~数百 A | 取决于配电制式和回路阻抗 |
| 雷击电流 | 100kA 量级 | 10/350µs 波形，按防雷标准 |
这些是量级，不是保证值；具体要看叠层、铜厚、过孔、连接器和电流波形。
5.2 叠层、平面与过孔
- 四层板优先：信号—地—电源—信号，地平面完整；两层板没有完整参考平面，高速信号回流难控制。
- 地平面连续：不要在高速信号下方开槽/分割；需要隔离时用摆放和局部桥，不要用长缝。
- 过孔缝合：地平面之间的过孔要密，尤其是连接器、屏蔽罩、晶振、ADC 附近；过孔间距按最高频率的 \lambda/20 量级控制。
- 连接器地：连接器的地引脚要短、多、均匀；电缆屏蔽层要 360° 接地，不要用“猪尾巴”长线。
- 晶振/模拟前端：晶振下方留完整地，模拟前端加保护环/屏蔽，保护环接模拟静地，不接数字地。
5.3 模拟地与数字地：分区，不是切缝
- 先摆放，后布线：模拟器件、ADC、数字器件按信号流向分区；数字回流不要穿过模拟区。
- 连续平面：让回流自动走信号正下方；ADC 的 AGND/DGND 在器件下方连接，具体按数据手册。
- 不要跨分割：任何信号跨分割，回流都要绕行；如果必须跨，桥要宽、短、多过孔，并在桥下保持地平面。
- 保护环：高阻抗模拟节点可以用保护环，但保护环要接模拟静地/保护电位，不是数字地；保护环两端接不同地会形成地环路。一些资料把保护环“单点接数字地”是错误口径，应改为接模拟静地或按电路要求接保护电位。
- 隔离：需要真正隔离的场合（市电、医疗、长距离接口）用隔离器/变压器/光耦，不要靠“分割地”冒充隔离。
去耦电容的回路、目标阻抗与安装电感，见电源完整性与去耦体系；隔离电源的原副边地、Y 电容和共模回流，见反激 Flyback 等隔离电源简介；热插拔/负载开关的地弹、软启动和电流检测，见电源监控、POR 与负载开关。涉及 PE、雷击、ESD 的现场做法，仍按安全用电与触电防护与相应标准由专业人员确认。
5.4 测量与排故
- 地弹测量：用示波器“弹簧地”/同轴探针，直接测芯片地引脚与板级地之间的电压；不要用长地线鳄鱼夹，长地线本身就有几十 nH，会测出假噪声。
- 地环路测量：用电流探头夹住电缆/地线，看共模电流；用近场探头找辐射热点。
- ADC 噪声：短接输入，测码分布；分别关断数字负载/时钟，看噪声是否随数字电流变化。
- PE/安全：PE 导通、接地电阻、RCD 动作时间必须由持证人员按标准测量；不能用万用表“通断档”代替。
6. 常见坑
- 高速信号跨分割地平面：现象——信号过冲/振铃、EMI 超标、误码率上升。原因——回流被地缝逼着绕行，环路面积和电感骤增；20mm 缝、0.25A/ns 可产生约 2V 地弹。解决——保持地平面完整；必须分割时，桥要宽短、多过孔，信号不跨缝。
- 把星形接地用在高速板上：现象——地弹大、辐射强，加了星形接地点反而更差。原因——星形支路长、电感大；50mm 支路约 20nH，0.25A/ns 就是 5V。解决——高速数字用完整地平面，星形只用于低频/小信号/隔离模块。
- AGND/DGND 多点相连：现象——数字噪声进入模拟区，ADC 码跳、音频“沙沙”声。原因——数字大电流经多点连接流入模拟地，共阻耦合。解决——按 ADC 数据手册在器件下方单点/局部桥接；更常见的是连续平面 + 分区，不让数字回流经过模拟区。
- 保护环接数字地：现象——加了保护环，高阻抗节点反而更噪。原因——数字地噪声通过保护环注入敏感节点；保护环两端接不同地还会形成环路。解决——保护环接模拟静地/保护电位，按电路要求单点连接，不接数字地。
- 示波器长地线测地弹：现象——看到满地尖峰，换了板子/探头就变。原因——探头地线几十 nH，与被测环路形成天线，测到的是探头地弹。解决——用弹簧地/同轴探针，缩短探头环路；同时用电流探头交叉验证。
- 把 ESD 地线当 PE 用：现象——防静电台垫的地线烧断，设备外壳故障时得不到保护。原因——ESD 地串 1MΩ，承受不了故障电流；两种接地的目标/标准不同。解决——ESD 地与 PE 分开，各自按 IEC 61340-5-1 和 GB/T 16895.21 设计，只在规范要求的公共接地点等电位连接。
7. 自测题
8 条输出同时开关，每条 50mA/ns，地引脚总电感 2nH。地弹是多少？把地引脚并联到 0.25nH 呢？
总电流变化率：
di/dt=8\times50\ \text{mA/ns}=0.4\ \text{A/ns}=4.0\times10^{8}\ \text{A/s}2nH：
V=2\times10^{-9}\times4.0\times10^{8}=0.80\ \text{V}0.25nH：
V=0.25\times10^{-9}\times4.0\times10^{8}=0.10\ \text{V}地引脚并联把 L_{gnd} 降到 1/8，地弹也降到 1/8。放慢边沿同样有效。
2A 直流流过 10mΩ 地，和 1A 流过 10nH 地（10MHz），地电压各是多少？为什么差这么多？
直流：
V=IR=2\times0.010=20\ \text{mV}10MHz：
V=2\pi fLI=2\pi\times10^7\times10\times10^{-9}\times1=0.628\ \text{V}前者是电阻分压，后者是电感抗；频率越高，j\omega L 越大，地的“阻抗”从毫欧变成欧姆级。所以地设计必须按频率/边沿看，不能只看直流电阻。
地环路面积 0.1m²，磁场 1µT。50Hz 和 1MHz 的感应电压各是多少？
V=2\pi fBA50Hz：
V=2\pi\times50\times1\times10^{-6}\times0.1=31.4\ \mu\text{V}1MHz：
V=2\pi\times10^6\times1\times10^{-6}\times0.1=0.628\ \text{V}同样的环路，高频感应电压高 2 万倍。缩短环路、双绞、屏蔽、共模扼流圈都是降低这个电压。
为什么高速混合信号板不建议把地平面整块切成 AGND/DGND？分割的代价用数字说明。
分割后，跨分割信号的回流不能走信号正下方，只能绕到桥接点。20mm 缝、0.4nH/mm 估算附加 8nH；0.25A/ns 返回电流产生：
V=8\times10^{-9}\times0.25\times10^{9}=2.0\ \text{V}完整平面下同样电流约 0.15nH，产生 37.5mV，相差 53 倍。分割还会形成槽天线、增加 EMI。正确做法是连续平面 + 分区摆放，ADC 的 AGND/DGND 按数据手册在器件下方连接；确需分割时用宽短桥，信号不跨缝。
保护环应该接数字地还是模拟地？一些资料说“单点接数字地”，为什么不对？
保护环的作用是给高阻抗/敏感节点提供一个低噪声的等电位屏蔽，吸走漏电流和衬底噪声，所以应接模拟静地/保护电位，不能接数字地。数字地有开关噪声，接数字地等于把噪声主动注入敏感节点；保护环两端接不同地还会形成地环路。正确做法是按电路要求把保护环单点接到模拟参考地/保护电位，必要时用保护缓冲器驱动，具体以 ADC/运放数据手册为准。
ESD 腕带为什么串 1MΩ？它能不能代替 PE？
1MΩ 是限流：人体误碰 220V 时，电流约 220/10^6=0.22\ \text{mA}，既能缓慢泄放静电，又不会让人体成为低阻通路。它不能代替 PE：PE 要承受故障电流、提供低阻回路、配合保护电器切断；1MΩ 承受不了故障电流，故障时外壳也得不到低阻保护。ESD 地、PE、防雷地按各自标准独立设计，只在规范要求的公共接地点等电位连接。
8. 参考资料
- Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering：Chapter 3 “Grounding” 讲单点/多点接地、共阻耦合、地环路与屏蔽；本章 2、3.3、5.2 的接地口径参考该章。
- Howard Johnson & Martin Graham, High Speed Digital Design：Ground Bounce 与 Power Systems 章节讲引线电感、同步开关噪声、回流路径；本章 3.2、4.1 的地弹计算参考该章。
- Analog Devices, MT-031 Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND”：混合信号 ADC 的 AGND/DGND 连接、分割与桥接取舍；本章 3.5、4.1、5.3 的 ADC 接地建议参考该教程。
- IEC 62305-3:2010 Protection against lightning — Part 3: Physical damage to structures and life hazard：雷击接地、等电位联结、引下线与 SPD 的国际口径；本章 3.7、4.3 只讲区别，具体防雷设计按该标准。
- GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》：防雷接地、等电位联结、浪涌保护器的工程要求；本章涉及雷击接地的部分以该规范为准，必须由专业人员设计。
- IEC 61340-5-1:2016 Electrostatics — Part 5-1: Protection of electronic devices from electrostatic phenomena 与 ANSI/ESD S20.20：ESD 接地、腕带 1MΩ、台垫与工作区要求；本章 3.7、4.3 的 ESD 口径参考该标准。
- GB/T 16895.21《低压电气装置 第4-41部分：安全防护 电击防护》：保护接地、接触电压、TN/TT 的自动切断判据；本章 3.7、5.4 的安全边界与安全用电与触电防护一致。