在電子設(shè)備與電路系統(tǒng)中，“共地”是保障各模塊協(xié)同工作的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則——多個(gè)功能模塊共享同一個(gè)參考地電位，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸、電位基準(zhǔn)統(tǒng)一，降低干擾。但這種設(shè)計(jì)也存在潛在風(fēng)險(xiǎn)：當(dāng)系統(tǒng)中某一個(gè)模塊發(fā)生局部短路時(shí)，往往不僅會(huì)導(dǎo)致該模塊自身故障，還可能引發(fā)其他共地模塊的連鎖損壞，造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。這種現(xiàn)象在工業(yè)控制設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車電子等場(chǎng)景中十分常見(jiàn)，其本質(zhì)是局部短路破壞了共地系統(tǒng)的電位平衡，通過(guò)電流、電壓的異常傳導(dǎo)，擊穿或燒毀其他模塊的核心元器件。

首先明確兩個(gè)核心概念：局部短路與共地系統(tǒng)。局部短路指的是電路中某一段導(dǎo)體未經(jīng)負(fù)載直接與電源兩極或參考地連接，導(dǎo)致該支路電阻急劇減小(趨近于0)，根據(jù)歐姆定律，支路電流會(huì)急劇增大，形成“短路電流”。與整體短路不同，局部短路僅發(fā)生在系統(tǒng)的某個(gè)模塊或某條支路，初期可能不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)斷電，但會(huì)打破電路原有的電流、電壓分布。共地系統(tǒng)則是將多個(gè)模塊的接地端(GND)連接到同一個(gè)公共接地點(diǎn)(或接地平面)，使所有模塊的電位都以該公共點(diǎn)為基準(zhǔn)，確保模塊間信號(hào)交互時(shí)沒(méi)有電位差干擾，同時(shí)為過(guò)剩電流提供泄放路徑。共地設(shè)計(jì)的核心優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)化電路、抑制干擾，但一旦某一模塊出現(xiàn)局部短路，這種“共享接地”就會(huì)成為故障傳導(dǎo)的“通道”，將異常傳遞給其他模塊。

局部短路引發(fā)共地模塊損壞的核心原因，是短路導(dǎo)致共地電位偏移，破壞了其他模塊的正常工作電壓范圍。正常情況下，共地系統(tǒng)的公共接地點(diǎn)電位被視為0V，各模塊的電源端、信號(hào)端電位均以該點(diǎn)為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)(如5V模塊、12V模塊的供電，均相對(duì)于地電位而言)。當(dāng)某一模塊發(fā)生局部短路時(shí)，短路電流會(huì)通過(guò)該模塊的接地端流向公共接地點(diǎn)，而接地導(dǎo)線、接地平面本身存在一定的電阻(即“地線電阻”)，雖然阻值極小(通常為毫歐級(jí))，但在巨大的短路電流(可能達(dá)到幾十安甚至上百安)作用下，根據(jù)歐姆定律U=IR，會(huì)在接地導(dǎo)線上產(chǎn)生明顯的電壓降，這個(gè)電壓降會(huì)導(dǎo)致公共接地點(diǎn)的電位升高，形成“地電位抬升”。

地電位抬升對(duì)共地模塊的破壞是直接且致命的。例如，某系統(tǒng)中包含A、B兩個(gè)共地模塊，A模塊為12V供電，B模塊為5V供電，公共接地點(diǎn)正常電位為0V。當(dāng)A模塊內(nèi)部發(fā)生電源端對(duì)地線的局部短路時(shí)，短路電流Isc通過(guò)A模塊的接地端流向公共點(diǎn)，若地線電阻為10mΩ，短路電流為50A，則地線電壓降U=50A×0.01Ω=0.5V，此時(shí)公共接地點(diǎn)的電位會(huì)從0V抬升至0.5V。對(duì)于B模塊而言，其供電電壓是相對(duì)于公共地的，原本的5V供電(電源正極5V，地0V)，會(huì)因共地電位抬升變?yōu)殡娫凑龢O5V，地0.5V，實(shí)際工作電壓變?yōu)?.5V，低于設(shè)計(jì)閾值。若B模塊為精密模擬電路或數(shù)字邏輯電路，其核心元器件(如單片機(jī)、運(yùn)算放大器)對(duì)工作電壓極其敏感，電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致邏輯錯(cuò)亂、信號(hào)失真，長(zhǎng)期或嚴(yán)重時(shí)會(huì)因供電不足導(dǎo)致元器件過(guò)熱損壞。

更嚴(yán)重的是，當(dāng)局部短路引發(fā)的地電位抬升幅度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其他共地模塊出現(xiàn)“反向偏置”，擊穿半導(dǎo)體元器件。例如，若短路電流過(guò)大，地線電壓降達(dá)到2V，公共地電位抬升至2V，對(duì)于采用5V供電的B模塊，其電源負(fù)極(接地端)電位為2V，電源正極電位為5V，工作電壓雖為3V，但模塊內(nèi)部的二極管、三極管、MOS管等元器件，其PN結(jié)的偏置電壓會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。以二極管為例，正常工作時(shí)正向偏置(陽(yáng)極電位高于陰極)，若因共地電位抬升導(dǎo)致陰極電位高于陽(yáng)極，二極管會(huì)處于反向偏置狀態(tài)，當(dāng)反向電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，二極管會(huì)被擊穿，失去單向?qū)щ娞匦?，進(jìn)而導(dǎo)致模塊內(nèi)部電路短路，最終燒毀整個(gè)模塊。

除了地電位抬升，短路電流的分流與電磁干擾，也是引發(fā)共地模塊損壞的重要原因。局部短路產(chǎn)生的巨大短路電流，會(huì)在接地導(dǎo)線和接地平面上形成強(qiáng)烈的交變磁場(chǎng)(根據(jù)安培環(huán)路定理)，這種強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)在相鄰的共地模塊的導(dǎo)線、電路板上感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，即“電磁感應(yīng)干擾”。對(duì)于敏感模塊(如信號(hào)采集模塊、傳感器模塊)，感應(yīng)電流會(huì)疊加在正常工作信號(hào)上，導(dǎo)致信號(hào)失真、測(cè)量誤差，甚至觸發(fā)模塊的保護(hù)機(jī)制，造成模塊鎖死或損壞。

同時(shí)，短路電流會(huì)尋找所有可能的泄放路徑，除了自身的接地支路，還會(huì)通過(guò)其他共地模塊的接地端分流。由于其他模塊的接地端與公共地相連，短路電流會(huì)一部分流經(jīng)這些模塊的接地回路，再流向公共點(diǎn)。這些模塊的接地回路和內(nèi)部電路，原本設(shè)計(jì)用于承載正常工作電流(通常為毫安級(jí)或安培級(jí))，而短路分流的電流可能達(dá)到數(shù)安培，遠(yuǎn)超元器件的額定電流。例如，某傳感器模塊的接地導(dǎo)線額定電流為1A，當(dāng)短路分流電流達(dá)到3A時(shí)，接地導(dǎo)線會(huì)因過(guò)熱熔斷，同時(shí)模塊內(nèi)部的接地電阻、濾波電容等元器件，會(huì)因承受過(guò)大電流而燒毀，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)傳感器模塊失效。

局部短路引發(fā)的“電源總線拉低”，也會(huì)間接導(dǎo)致共地模塊損壞。在多數(shù)共地系統(tǒng)中，多個(gè)模塊共享同一組電源總線(如12V總線)，各模塊通過(guò)電源分支獲取供電，同時(shí)共享接地。當(dāng)某一模塊發(fā)生局部短路(如電源端對(duì)地線短路)，短路電流會(huì)從電源總線正極流出，經(jīng)過(guò)短路點(diǎn)、接地端回到電源負(fù)極，形成閉合回路。由于電源總線本身存在內(nèi)阻，巨大的短路電流會(huì)在電源總線上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致電源總線的輸出電壓急劇降低，即“總線拉低”。

電源總線拉低會(huì)影響所有共享該總線的共地模塊，導(dǎo)致其供電電壓不足。例如，某系統(tǒng)中12V電源總線為3個(gè)共地模塊供電，當(dāng)其中一個(gè)模塊發(fā)生短路，短路電流達(dá)到100A，電源總線內(nèi)阻為5mΩ，則總線電壓降為100A×0.005Ω=0.5V，總線輸出電壓從12V降至11.5V。若其中一個(gè)模塊為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其額定供電電壓為12V±0.3V，11.5V的供電電壓低于額定值，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速異常、扭矩不足，同時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的功率管會(huì)因?qū)ú粫扯^(guò)熱，長(zhǎng)期工作會(huì)燒毀功率管;對(duì)于數(shù)字模塊而言，供電電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)、FPGA等核心芯片無(wú)法正常復(fù)位、運(yùn)行，甚至出現(xiàn)程序跑飛、芯片損壞的情況。

此外，局部短路可能引發(fā)“地環(huán)路干擾加劇”，進(jìn)一步破壞共地模塊的正常工作。共地系統(tǒng)中，若各模塊的接地端與公共地之間存在一定的距離，會(huì)形成“地環(huán)路”，正常情況下地環(huán)路中的電流極小，不會(huì)產(chǎn)生明顯干擾。但當(dāng)局部短路發(fā)生時(shí)，地電位抬升會(huì)導(dǎo)致地環(huán)路兩端出現(xiàn)明顯的電位差，進(jìn)而產(chǎn)生較大的地環(huán)路電流。地環(huán)路電流會(huì)通過(guò)模塊的信號(hào)接口、電源接口進(jìn)入模塊內(nèi)部，干擾數(shù)字邏輯電路的時(shí)序，破壞模擬電路的信號(hào)穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致模塊內(nèi)部的集成電路(IC)擊穿損壞。

在實(shí)際應(yīng)用中，局部短路引發(fā)共地模塊損壞的場(chǎng)景十分普遍。例如，汽車電子系統(tǒng)中，車燈模塊與車載導(dǎo)航、行車記錄儀共地，若車燈模塊發(fā)生局部短路，短路電流會(huì)通過(guò)車身接地(共地)流向電源負(fù)極，導(dǎo)致車身地電位抬升，進(jìn)而影響導(dǎo)航模塊的供電穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致導(dǎo)航黑屏、芯片燒毀;工業(yè)控制設(shè)備中，PLC模塊與傳感器、執(zhí)行器共地，若執(zhí)行器模塊短路，會(huì)導(dǎo)致電源總線拉低，PLC模塊因供電不足無(wú)法正常工作，同時(shí)短路電流的分流會(huì)燒毀PLC的輸入輸出接口;消費(fèi)電子產(chǎn)品中，手機(jī)的充電模塊與主板共地，若充電模塊短路，會(huì)導(dǎo)致主板地電位抬升，擊穿主板上的CPU、內(nèi)存等核心元器件，造成手機(jī)無(wú)法開(kāi)機(jī)。

綜上，局部短路之所以會(huì)引起其他共地模塊損壞，核心是局部短路打破了共地系統(tǒng)的電位平衡和電流、電壓分布，通過(guò)地電位抬升、短路電流分流、電源總線拉低、電磁感應(yīng)干擾等多種機(jī)制，將故障傳遞給其他共地模塊，導(dǎo)致模塊元器件因過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、反向擊穿等原因損壞。這也提醒我們，在電路設(shè)計(jì)中，不僅要做好短路保護(hù)(如加裝保險(xiǎn)絲、熔斷器、過(guò)流保護(hù)芯片)，還要優(yōu)化共地設(shè)計(jì)(如采用單點(diǎn)接地、增大接地導(dǎo)線截面積、降低地線電阻)，減少局部短路對(duì)共地模塊的影響，保障整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。只有充分認(rèn)識(shí)局部短路與共地系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)，才能從設(shè)計(jì)層面規(guī)避連鎖損壞，延長(zhǎng)電子設(shè)備的使用壽命。