电力电子技术中的接地设计PPT课件

1 2 电磁兼容设计 接地设计 九洲电气刘志强 3 一概述 接地技术是电子通讯设备必须采用的重要技术 众所周知 电磁兼容设计三大措施为 接地 屏敞和滤波 通过现场和试验统计调查 有80 以上的故障源于接地设计不良 正确的接地不仅是保护设备和人身安全的必要手段 也是电子设备稳定可靠工作的重要条件 如果接地设计不好 轻则导致设备运行不稳定 如程控数字交换机的呼损增大 光电传输设备的误码率增加 故障率上升 重则导致设备无法正常工作 甚至发生重大事故 使设备毁坏 这方面的例子很多 造成的损失无法估量 4 一 接地设计的基本原理 好的接地系统是抑制电磁干扰的一种技术措施 其电路和设备地线任意两点之间的电压与线路中的任何功能部分相比较 都可以忽略不计 差的接地系统 可以通过地线产生寄生电压和电流偶合进电路 地线或接地平面总有一定的阻抗 该公共阻抗使两两接地点间形成一定的压降 引起接地干扰 使系统的功能受到影响 从而影响产品的可靠性 5 二 接地的目的接地的目的主要有三个 1 接地使整个电路系统中所有单元电路都有一个公共的参考零电位 保证电路系统能稳定地工作 2 防止外界电磁场的干扰 机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放 否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰 另外 对于电路的屏蔽体 若选择合适的接地 也可获得良好的屏蔽效果 3 保证安全作 当发生直接雷电的电磁感应时 可避免电子设备的毁坏 当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时 可避免操作人员的触电事故发生 6 三 电子设备 地 的主要种类 1 大地 地球 良导体 有效地吸收和发散电流 2 系统地 信号回路的电位基准点 简称系统地 工作地或电源地 3 模拟地 连接模拟元器件接地引出端形成的地线 4 数字地 连接数字元器件接地引出端形成的地线 5 保护地 连接保护元器件接地引出端形成的地线 6 屏蔽地 连接屏蔽体接地端形成的地线 7 机壳地 连接设备的机壳 8 防雷地 为防直击雷而在建筑物上安装的连接各种接闪器 避雷器 至接地网的地线 9 安全地 为保证人身和设备的安全而接的地线 7 四 接地设计的基本原则 接地设计的基本原则是电位相同 内部电路不互相干扰 抵御外来干扰 各种地电位相同使不同性质的电路有一个统一的基准电位 保证电路功能的顺利实现 电位相同要求不同的地就近相连 内部电路不互相干扰要求不同的地在较远处相连 所以 电位相同和不互相干扰是一对矛盾的双方 在何处相连应考虑哪一方占主导地位 当设备受到的外来干扰 例如 ESD干扰 EFT干扰 辐射干扰 较大时 提高设备对外来干扰的抵御能力上升为主要矛盾 这时 各种地应合并为大面积接地 8 五 接地的方式 1浮动地2单点接地1 并联单点接地2 串联单点接地3多点接地4复合接地 9 浮动地对于电子产品而言 浮动地是指设备的地线在电气上与参考地及其它导体相绝缘 即设备浮动地 如图1所示 另一种情况是在有些电子产品中 为了防止机箱上的骚扰电流直接耦合到信号电路 有意将信号地与机箱绝缘 即单元电路浮动地单点接地接地点只有一个的连接方式 在频率低于1MHz时 较适于单点接地 主要可以克服地环路因素造成系统的相互干扰 按照接地点的不同 单点接地可以分为并联单点接地和串联单点接地两种形式 并联单点接地接地点只有一个 是将需要接地的各部分 分别以接地导线直接连到电位基准点 一般是直流电源的负极或零伏点 或者用树枝状的 10 多点放射式 如图2所示 因为这样仅有很少的公共信号返回导体 能有效地避免公共阻抗和接地闭合回路造成的干扰 缺点是接地线又长又多 经济性差 而且限制了装置的工作速度或频率 并联单点接地主要应用于机框内各种汇流条的汇接 串联单点接地接地点只有一个 是以一截面积足够大的导体作为接地母线 直接接到电位基准点 如图3所示 需要接地的各部分就近接到该母线上 由于接地母线阻抗很小 故能够把公共干扰减弱到允许的程度 布局时 应把功率回路的接地点安排在靠近电源的地方 而把小电流回路的接地点安排在远离电源的地方 串联单点接地主要应用于机框内各单板参考地到汇流条的连接 11 多点接地接地点多于一个的连接方式 如图4所示 在高频 f 10MHz 情况下 由于接地线的长度过长 引线电感和分布电容的影响不能忽略 为降低接地阻抗 消除分布电容的影响而平面式多点接地 即利用一导电平面 如底板或多层印制电路板的导电平面层等 作为基准地 需要接地的各部分就近接到该基准地上 由于导电平面的高频阻抗很低 所以各处的基准电位比较接近 为进一步减少接地回路的压降 可用旁路电容等办法减少返回电流的幅值及前沿陡度 多点接地方式主要应用于高频信号到参考平面的连接 12 复合接地单点接地和多点接地同时作用的连接方式 如图5所示 既包含了单点接地地特性 也包含了多点接地地特性 主要应用于1MHz f 10MHz 低频时单点接地 高频时多点接地的场合和复杂系统的接地 13 图1浮动地方式 14 图2并联单点接地 15 图3串联单点接地 16 图4多点接地 17 图5复合接地 18 一 设备 系统 接地的原则电磁噪声或电磁干扰引起的故障 绝大多数 约占57 出自机壳地 工作地线路的电位波动 降低机壳地 工作地线路阻抗 对于抗脉冲噪声和静电放电都有利 接地是为了在电路和某些基准点之间建立良好的电气通路 为所有的信号提供一个公共的参考电平 以及防止因设备带电对人员造成电击危害 二设备接地设计 19 1 接地的好坏取决于搭接的好坏 两接地点间的电位差或由于磁通交连使基准电位变化 2 所有的接地都必须避免公共阻抗传导耦合 高阻抗的地回路和危险的工作条件 由于接地故障可能造成危险 3 接地线应尽可能粗 短 并直接搭接到接地板 目的尽量减少地回路的阻抗 避免因频率增高造成感抗增大 20 4 在低频设备中避免形成地回路尤其重要 因为地回路中有信号电流时 接地线路阻抗使基准电位变化 5 f10MHz 应用多点接地方式 7 1MHz f 10MHz 若用一点接地 地线长度不得大于1 20波长 否则应使用多点接地 21 8 对于复杂的电子设备 复合型接地方案比较适用 采用复合式接地方案时 机架上必须设定明确的汇接点 汇接点必须是半径至少为10mm的洁净金属面 9 机架的地线噪声是很大的 不能靠滑轨 铰链等部件去接地 装于机架上的电子电路应有分开的地线 10 在机壳或机架上应有接地螺栓和明显的接地标志 接地螺栓的参考尺寸为M8 22 二 机架式系统接地设计1 模拟地 数字地 电源地和保护地通过汇流条在机架汇接点单点汇接 2 模拟地和数字地根据产品具体情况可以采取两种汇接方式 一个公共汇流条 在汇流条上单点汇接或两个公共汇流条 在机架汇接点单点汇接 3 根据产品特殊情况 对特殊单元电路的地 使用汇流条汇接于机架汇接点 例如大的干扰源或特别敏感系统的分离地 4 机架接地点和汇接点距离尽可能近 接地点再以最短的扁平电缆接到大地 接地平面 23 机架式系统接地树示意图 24 三 机架式系统接地设计多层机框的接地 一个设备的多层机框 各机框的部件的工作地和保护地应分别引线接到相应的汇流条上而不能靠导轨条 绞链 螺丝等部件去接地 设备接大地 工作地 保护地 48V地连接到机壳接地螺栓 再由机壳接地螺栓用接地线引至接地桩或接地汇集线上 见下图 如果 48V电源与 5V或 12V电源有共地的要求 如用户板 48V地与工作地在后背板上 靠近 48V电源输入插座位置 再相连 如果机房接地汇集线和 48V供电线在地面走线 则接地螺栓应设置在机架下方 或者机架上下方均设置接地螺栓 以方便灵活接线 25 26 对于有多个机架的设备 各个机架的工作地 保护地和机壳接地分别用接地线引到接地桩或接地汇集线上 对于三线五线制交流供电的设备 机壳要接交流保护地线 对于无法接大地的载体 如飞机 轮船 汽车 可把其机身的金属壳体当成大地 设备的工作地 保护地和机壳接地直接接到其金属壳体上 27 接地线材料为多股铜线 截面积 35mm 两端应焊接铜鼻子 设备机壳接地螺栓应足够大 M8 位置要靠近接地汇集线 接地螺栓处应有明显的接地标志 工作地 保护地 48V地和设备机壳接地以及建筑防雷接地共用一组接地体 称为联合接地 以避免雷击时出现的地电位反击效应 28 四 台式设备的接地设计1 塑料外壳 220VAC三芯插头供电典型的设备电脑显示器 小型示波器等 220VAC电源通过开关电源 或变压器整流稳压电源 变换成为直流电源给设备电路供电 三芯插头的接地端接开关电源的地或屏蔽壳 变压器的屏蔽壳 内部电路接地处于悬浮状态或者一点接三芯插头的接地端 塑料外壳的内层如果镀涂导电屏蔽层 也要接内部电路地 与其他设备互联时 电路工作地作为接口接地 其输出接口芯线通常串接1K 电阻防止对地短路 输入接口通常带有隔直电容 29 2 塑料外壳 220VAC三芯插头外接镇流器供电 设备低压直流供电典型的设备小型化视讯终端等 220VAC电源通过开关电源 或变压器整流稳压电源 变换成为直流电源通过直流电源线给设备电路供电 电路接地处于悬浮状态或者一点接三芯插头的接地端 塑料外壳的内层如果镀涂导电屏蔽层 也要接内部电路地 与其他设备互联时 电路工作地作为接口接地 输出接口芯线通常串接1K 电阻防止对地短路或使用变压器隔离输出 输入接口通常带有隔直电容或变压器 30 三PCB板的接地设计 一 PCB板的接地设计的几点说明1 应建立分布参数的概念 高于一定频率时 任何金属导线都要看成是由电阻 电感构成的器件 因此 接地引线具有一定的阻抗并且构成电气回路 不管是单点接地还是多点接地 都必须构成低阻抗回路进入地或机架 2 接地电流流经接地线时 会产生传输线效应和天线效应 3 接地板上充满高频电流和干扰场形成的涡流 因而 在接地点之间构成许多回路 这些回路的直径 或接地点间距 应小于最高频率波长的1 20 31 二 PCB板的接地设计的原则1 在低频电路中 信号的工作频率小于1MHz 它的布线和器件间的电感影响较小 而接地电路形成的环流对干扰影响较大 因而应采用单点接地 当信号工作频率大于10MHz时 地线阻抗变得很大 此时应尽量降低地线阻抗 应采用就近多点接地 当工作频率在1 10MHz时 如果采用一点接地 其地线长度不应超过波长的1 20 否则应采用多点接地法 32 2 工作地和保护地分开 由于浪涌 静电及其他过电流的影响 会造成工作地电位的漂移 影响系统正常工作 甚至造成系统瘫痪 因此保护地和工作地在单板上必须分开 若线路板上既有逻辑电路又有线性电路 应使它们尽量分开 低频电路的地应尽量采用并联单点接地 实际布线有困难时可部分串联后再并联接地 高频电路宜采用多点串联接地 地线应短而粗 高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔 33 3 接地线应尽量加粗 若接地线用细线条 则接地电位随电流的变化而变化 使抗噪性能降低 因此应将接地线加粗 如有可能 接地线应在2 3mm以上 4 接地线不应构成闭环路 5 CMOS的输入阻抗很高 且易受感应 因此在使用时对不用端要接地或接正电源 6 电源是主要的干扰源 为避免电源的杂波对工作地的干扰 电源地和工作地在单板上需要分开 34 由于射频电路工作频率高 容易引起无用信号的耦合 要求接地引线短 分布参数小 地电位稳定 应把电路的地线与组件的金属外壳紧密相连 即外壳作为工作地使用 三 射频组件印制版的接地设计 35 四 与后背板相连的插座上地线插针的设计 1 地线插针应足够多且应纵向安排 接地线与地线插针连线要足够粗 以免形成接地瓶颈 2 对于高频信号尤其是高频时钟信号 四周应用地线插针包围 36 五 信号电缆线屏蔽层的接地 1 信号电缆线屏蔽层的接地可分为单点接地和多点接地 2 以传输信号的 4为界 线长小于 4的情况下 一般用单点接地 当电缆线长度大于 4时 应采用多点接地 因为与其它导线一样 电缆线的屏蔽层也能起到天线的作用 在采用多点接地时 如果做不到每隔0 05 至0 1 有一个接地点的话 至少也应将电缆线的始端与终端的屏蔽层都接地 对电缆线的多点接地来说 一个附加好处是可减少屏蔽层的静电耦合 37 3 若使用屏蔽之绞股电缆 则于穿过接头与装备连接时 接头中应备有单独的插针供屏蔽用 在高能量的静电场合里 电缆常使用双层或三层屏蔽 通常内层屏蔽于电源端接地 而外层屏蔽则于负载端接地 4 原则上应在接地的信号源或接收器一侧接地 控制装置之间的信号应在线路对地电容大的一端接地 这样能减少信号电缆对地分布电容的影响 在实际应用中 信号电缆屏蔽层大多在信号电缆数量最多的控制装置一侧接地 例如数控装置的中央柜 计算机柜或输入输出柜等 5 测温电缆屏蔽层应该在被测装置一侧接地 采用双重静电屏蔽的电缆 通常均把其外屏蔽层接到系统地线 38 六 PCB的布层设计1 PCB板布层原则 1 电源层最好紧邻接地层且在接地层的下面 2 电源是通讯系统中最重要的干扰源之一 电源层和地线层的阻抗越低 则相互耦合越大 有利于地线层对电源层干扰信号的吸收 接地层的面积大于电源层的面积 可以充分发挥接地层的屏蔽作用 减小电源层对信号层的干扰 接地层的面积最大且比电源层的面积至少大20H H为PCB板的板层厚度 信号层面积根据信号层器件密度酌情缩进 缩进宽度越大越好 3 高频电路 逻辑电路 时钟电路等重要信号线最好布于PCB板内部紧靠参考地平面 其他信号线次之 39 2 示例 四层板的叠层设计四层板根据信号的安排情况有以下两种方式 1 以TOP层作为主信号层 见下图 a 完整的地平面紧邻主信号层 2 以BOTTOM层作为主信号层 见下图 b 完整的地平面紧邻主信号层 设备对其进行测试和检查 40 a b 41 八层板的叠层设计若PCB的器件和走线密度很高时 可以采用有五个信号层的八层板 如下图 a 注意将IS2层没有布线而且IS3层的相应位置也没有布线的空间敷实心的地铜皮 以保证不影响IS3层信号的阻抗 而且不使压板出现翘曲 若PCB的器件速度高则可以采用下图 b 的结构 电源层紧邻地层可以降低电源噪声 完全的层对称 阻抗控制简单 42 a b 43 3 20H原则20H原则是指将电源平面比地平面的边界尺寸缩进20倍H H为电源平面与地平面的距离 时 可以有效地减小两个平面间对外的辐射 当尺寸小10H时 辐射强度开始下降 当尺寸小20H时 辐射强度下降70 当尺寸小100H时 辐射强度下降98 见图10 44 图1020H原则原理 45 在实施20H原则时 应该优先满足信号的回路最小 信号阻抗连续 即 缩进电源平面时 若相邻的信号层在电源平面边缘有走线 可以在此范围内不考虑20H原则 确保信号不跨越 而且电源平面的边缘应该延伸出信号线位置 46 4 3W原则 3W原则是指两根印制线的中心距大于等于3倍印制线的宽度时 即线间距是2倍线的宽度 可以有效地减少信号之间的耦合 使信号有较 干净 的回流路径 一般对高速时钟线 控制线使用3W原则 高速总线不强求使用3W原则 47 四元器件的接地设计 一 机壳上的元器件的接地设计当金属外壳接插件穿过机壳接出 机壳开孔必须小于接插件的金属外壳 如图12所示 接插件金属外壳与机壳之间可接专用金属簧片确保良好搭接 48 49 二 功能单板上元器件的接地设计 在双层板上 当一个IC芯片 如模数转换芯片 既有模拟地又有数字地时 元器件的数字地引脚直接接至模拟地引脚 再接至印制版的模拟地母线上 在双层板上 一个大规模IC芯片的多个接地引脚应尽量直接相连后再单点接到印制板的相应地线上 屏蔽装置 变压器静电屏蔽层 屏蔽板和屏蔽盒 应接到静电防护与屏蔽地或工作地 50 复位按钮 拨码开关 接插件的金属外壳和用于ESD防护的器件的接地端应接到静电防护与屏蔽地或工作地 CMOS电路不用的输入端不能悬空 应直接接数字地 也可通过电阻接电源 用于雷击浪涌过压保护器件的接地端必须接到保护地 箝位二极管的接地端应接到静电防护与屏蔽地或工作地 51 三 后背板上元器件的接地设计1 如果有金属外壳接插件 应布局在靠近边角的位置 其金属外壳通过两端的固定螺丝与后背板的静电防护与屏蔽地相连 2 如果信号线从后背板引入且该信号线必须接ESD防护器件 则ESD防护器件宜安排在后背板上而不安排在功能单板上 这时 ESD防护器件的接地端应与后背板的静电防护与屏蔽地相接 52 四 金属部件和接插件的接地设计1 对于必须用金属但与内部电路无联系的部件如固定单板的金属锁簧和起拔拉手 外表应涂复绝缘层 以增加绝缘强度 严禁接工作地 必须与内部电路隔离8mm以上 2 具有金属壳体而人手又经常接触的部件如接插件 散热器等部件 其金属壳体应与接地的机壳或底板紧密相连 内部电路在靠近这些部件的部位 应采用大面积接地 另外 内部电路 包括地 应离开接插件金属壳体5mm以上 53 五 接地泄放对于接插件 由于其金属外壳距离信号芯线仅2 2mm 金属外壳上的静电干扰可通过信号芯线进入内部电路 试验表明 6000V静电能击穿4mm的空气隙 所以 要抑制进入电路的干扰信号 主要是接地泄放 通常具有金属壳体而人手经常接触的部件如钥匙锁 接插件 散热器等部件 其金属壳体应与接地的设备外壳或底板紧密相连 用以泄放人体的静电荷 内部电路在靠近这些部件的部位 应采用大平面接地 如无法采用大平面接地 则接地母线应尽可能粗 对于外壳为工作地的设备 接地端应就近接外壳以便静电荷尽快泄放到静电容量较大的外壳上 另外 内部电路应离开这些金属壳体5mm以上 54 重点审查项目1数字工作地与模拟工作地是否连到工作地汇流条上 并通过汇流条在机架汇接点单点汇接 12电源地是否连到电源地汇流条上 3保护地是否连到保护地汇流条上 4工作地 电源地 保护地是否在机架上汇接 然后从机架引连接线到机房提供的接地总汇流排上 5交流供电的设备 机壳是否接交流保护地线 6汇流条到机架地汇接点 机架到外部接地汇流排的接地线是否采用多芯铜线 55 7接地线总截面积是否大于16mm2 两端是否可靠联接