电磁兼容接地技术

1、电磁兼容接地技术 中南大学 电磁兼容及与应用 电磁兼容接地技术 电磁兼容的抑制方法 无论采用问题解决法、规范法还是系统法进行电磁兼容 设计，实现设备和系统电磁兼容的技术关键都是有效地抑制 电磁干扰。 抑制电磁干扰基本着眼点是破坏电磁干扰形成条件使以 下公式（1-1）成立，其中时间函数S（t）表示电磁干扰源， 时间函数R( t) 表示敏感设备的敏感性，时间函数C（t）表示 电磁能的传播耦合性。 )()()(tRtCtS（1-1） 换句话说，应从以下3个方面采取措施： 1.消除或抑制噪声干扰源，尽量减少功能绕远强度S（t）； 2.切断或限制噪声干扰传播途径，尽量减少干扰耦合系数C （t）； 电磁兼

2、容接地技术 3.提高接收电路的抗干扰能力，尽量增大其对噪声的敏 感电平值R（t）。 从抑制干扰技术的角度看，可供选择的技术措施有很多， 如：正确接地和搭接，屏蔽，滤波，分隔，旁路，吸收，合 理布线等。 其中尤以屏蔽、滤波与接地技术应用最多，下面分流一 章对屏蔽技术、滤波技术和接地技术分别进行介绍。 电磁兼容接地技术 1.1 接地的基本含义和类型接地的基本含义和类型 1.搭接，是指将两个等电位导体连接在一起，而接地是 指将一个代替与另外一个零电位基准的导体搭接在一起。可 见，接地是搭接的特例。接地就是指在系统的某个选定点与 某个电位基准面之间建立低阻的导通路。 电子设备中的“地”通常有两种含义，

3、一种是“大地”， 另一种是“系统基准地”。电子设备接地目的目的有两个：一是 为了安全，即接大地以泄放电荷，称为安全接地或保护接地； 二是为信号电压提供一个稳定的零电位参考点，称为信号接 地或系统基准地。 各种电子设备和电子系统中的接地类型较多，通常分成 以下两大类。保护接地和信号接地，后面分别给予介绍。 第1章 接地技术 电磁兼容接地技术 2.接地的意义接地的意义 电器设备接地目的有3个。 （1）为系统中各部分电路的工作提供基准电位，这 样有了参考电压，系统中的各个电压参数才有意义。 （2）为了系统的工作安全，根据用电规则，电气设 备的金属外壳必须接地，称为安全接地。其目的是防止 电气设各的金

4、属外壳上出现过高的对地电压以及漏电流 而危害人身、设备的安全。 （3）为了抑制干扰，电子设各的某些部分与大地相 接可以起到抑制干扰的作用。例如：双绞线中一根作信 号线，另一根接地可以防止电磁干扰。 电磁兼容接地技术 3.地线引发干扰问题的原因地线引发干扰问题的原因 地线不是等电位体 地线电流路径不确定 地线噪声电压 V = I R地线电压地线电压 地线是等电地线是等电 位的假设不位的假设不 成立成立 电流走最小电流走最小 阻抗路径阻抗路径 我们并不知道我们并不知道 地电流的确切地电流的确切 路径路径 地电流失地电流失 去控制去控制 电磁兼容接地技术 4.接地分类接地分类 接地的分类是根据电气设

5、备中回路性质和接地目 的来进行的，一股来讲，可将接地方式分为3类。 （1）安全接地：将设备金属外壳等接地，这样可以 防止静电产生的危险。 （2信号接地：将信号回路接于基准导体或基准电位 点，这样可以为系统提供参考电压，使系统的电压值 有参照。 （3）屏蔽接地：将电缆、变压器等屏蔽层接地，这 样可以对外界的电磁干扰有抑制作用，对于信号的传 输是很有好处的。 电磁兼容接地技术 安全地 220V 0V + + + + + 1.2 安全接地（或保护接地）安全接地（或保护接地） 电磁兼容接地技术 保护接地保护接地是以大地的电位作为零电位，把电子设备而的 金属外壳、线路选定点等部件通过由接地线、接地极等低

6、阻 抗导体组成的接地装置与大地相连接，以此避免因事故导致 金属外壳上出现过高的对地电压而危机操作人员和设备的安 全。 1.2.1设备要求安全接地设备要求安全接地 为了避免高压直接接触用电设备外壳或因设备内部绝 缘损坏而造成漏电打火使机壳带电，防止人体接触而导致 人身伤亡事故，任何高压电气设备、电子设备的机壳、底 座均需要安全接地。 我国的设备上用电电压为220V或380V，对人体有最 严重的触电危害，为了保证安全，应将在正常情况下不带 电的金属外壳与接地体连接。 电磁兼容接地技术 对于380V或220V三相四线制电网供电的动力设备， 其金属壳除了正常接地外，还应与电网零线相连接，称之 为接零保

7、护。如图1-1所示 在设备安全接地时，还应特别注意接地棒附近的跨 步电压危险。当电流从接地棒流入大地时，在接地棒周 围必然存在杂散电流和杂散电场。 电磁兼容接地技术 1.2.2 防雷接地防雷接地 防雷接地就是将建筑物等设备设施和电气设备的外壳 与大地连接，将雷电电流引入大地，从而保护设施、设备、 人身安全，使之免遭雷击，同时消除雷击电流窜入信号接 地系统，以避免影响电气设备的正常工作。 从防雷安全的角度出发，我们特别关心的就是这种直 接雷击。防雷接地的作用就是在于把雷闪的强大电流引离 敏感对象，导入大地，并使由此引起的杂散电场降低到安 全水平以下。 防雷措施采用避雷针，它是一种专门的接地装置中

8、。 一个完整的避雷装置包括闪接器、引下线和接地体。接闪 器包括避雷针、避雷线、避雷网、避雷带等。避雷针常使 用镀锌的圆钢或者钢管制成。 电磁兼容接地技术 1.2.3 安全接地的有效性安全接地的有效性 接地的目的是为了使设备与大地有一低阻抗的电路通 路，因此接地是否有效主要取决于接地电阻，阻值越小越 好。接地电阻与接地装置、接地土壤状况以及环境条等因 素有关。 接地装置也称接地体，常见的有接地桩、接地网和地 下水管等，通常把它们分为自然接地体自然接地体和人工接地体人工接地体两大 类。 埋设在地线的水管、输送非燃性气体的金属管道、自 流并插入管、钻管以及建筑物埋在地下或水泥中的金属结 构、电缆外皮

9、等都属于自然接地体自然接地体。 在100V以下的系统和1kV以上的小接地短路电流系统 中，一般采用自然接地体。 电磁兼容接地技术 人工接地体人工接地体是人工埋入地下的金属导体，常用的形式 有垂直埋入地下的钢管、角钢和平放的圆钢、扁钢、还有 环形、圆板型和方板型的金属导体等。 为了减少接地电阻，有时将几个接地体连接起来构成 组合接地体。无论是自然接地体还是人工接地体，都必须 根据接地电阻的要求来选择，一般接地电阻应效应10。 但按不同的接地目的可有不同的要求，如设备安全接地电 阻一般在10以下；1kV以上的电力线路接地电阻应小于 0.5；防雷接地电阻应为1025；建筑物单独装设的避 雷针的接地电

10、阻应为25以内。 电磁兼容接地技术 1.定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径 1.3 信号接地信号接地 信号地 电磁兼容接地技术 系统基准地是指为信号电流提供低阻抗回流路径的基 准导体（在电子设备中通常以金属底座、机座、屏幕罩或 粗铜线、铜带等作为基准导体），并设该基准导体电位为 相对零电位，简称系统地。所谓信号接地，就是指线路选 定点与基准导体（系统地）的连接。 电子设备中，有3种基本的信号接地方式，即单点接 地、多点接地和浮地。 电磁兼容接地技术 信号接地方式种类 信号接地方式 并联单点接地 串联单点接地 混合接地 多点接地 单点接地 电磁兼容接地技术

11、1.3.1单点接地单点接地 单点接地是指整个电路系统中，只有一个点被定义接 地参考点，其他各个需接地的点通过公共地线串联到该点， 亦可以由各点分别独立地线直接于该点。 单点接地又可分为串联单点接地串联单点接地和并联单点接地并联单点接地。 1.串联单点接地串联单点接地 是用一公共接地线到电位基准点，需要接地的部分就 近接到接地线上。因为易引起公共地阻抗干扰，所以是性 能最差的接地方式。 电磁兼容接地技术 多级单点接地时，不同接地点处的电位均不为零，可能 相差甚多且相互影响很大。在具体中应注意： 1）使各地线尽量可能短而粗； 2）使最低电平、最小电流的单元电路放在离接地点G最 近的地方，以避免打信

12、号电路的干扰。 电磁兼容接地技术 2.并联单点接地并联单点接地 是将需要接地的各部分分别以独立接地导线直接连 接到电位基准点（一般是直流电源负极或零伏点）。 这种方式不受其他分系统的影响，对防止各分系统 之间的相互干扰和地回路是很有效的。一般只在频率低 于1MHz时才使用。 电磁兼容接地技术 3.两种接地技术的比较两种接地技术的比较 串联单点接地 优点：简单 缺点：公共阻抗耦合 并联单点接地 优点：无公共阻抗耦合 缺点：接地线过多 电磁兼容接地技术 4.串联单点、并联单点混合接地串联单点、并联单点混合接地 串联单点接地结构由于简单而受到设计人员的青睐， 但它所带来的公共阻抗耦合干扰问题又经常让

13、人头疼。 并联单点接地结构能够彻底消除电路之间的影响，但 是繁杂的接地线实在让人头疼。 一个折衷的方法：一个折衷的方法：将电路按照特性分组，相互之间不 易发生干扰的电路放在同一组，相互之间容易发生干扰的 电路放在不同的组。每个组内采用串联单点接地，获得最 简单的地线结构，不同组的接地采用并联单点接地，避免 相互之间干扰。 这个方法的关键：这个方法的关键：绝不要使功率相差很大的电路或噪 声电平 相差很大的电路共用一段地线。 电磁兼容接地技术 模拟电路模拟电路1模拟电路模拟电路2模拟电路模拟电路3 数字逻辑控制电路数字逻辑控制电路数字信息处理电路数字信息处理电路 继电器驱动电路继电器驱动电路马达驱

14、动电路马达驱动电路 电磁兼容接地技术 线路板上的地线 噪声噪声 模拟模拟 数字数字 前面讨论的地线设计原则对于线路板也是适合的。这 就是在设计线路板时，要将模拟地、数字地以及大功率 驱动电路的地分开的依据。 这些不同的地仅能在通过一点连接起来。在线路板 设计一章种对此进行更详细的讨论。 电磁兼容接地技术 1.3.2 多点接地多点接地 多点接地是指系统中各单元电路的接地点都就近 直接连到接地平面上，形成多个接地点。多点接地的优 点是电路结构比单点接地简单，而且由于采用了多点接 地，接地线上可能出现的高频效应显著减少。 一般来说，频率大于10MHz时，应采用多点接地 方式，对于110MHz间的频率

15、而言，只要最长地接地 线的长度小于波长的1/20，则可以采用单点接地方式 以避免公共阻抗耦合。 电磁兼容接地技术 地线阻抗一定保持很小，地线阻抗一定保持很小， 避免公共阻抗耦合避免公共阻抗耦合 镀银（减小表面电阻）镀银（减小表面电阻） 良好搭接（减小地线阻抗）良好搭接（减小地线阻抗） 宽金属板（减小电感）宽金属板（减小电感） 电磁兼容接地技术 1.3.3 混合接地混合接地 如果电路的工作频率范围宽，在低频情况下需要采用单 点接地，而在高频情况下需要采用多点接地，对此可以采用 混合接地的方法。 混合接地混合接地一般是在单点接地的基础上通过一些电感或电 容多点接地，利用了电感、电容元件在不同频率下

16、有不同阻 抗的特性，使地线系统在不同的频率下具有不同的接地结构。 实施方法是低频部分采用单点接地，高频部分采用单点接地， 高频部分采用多点接地。或将各单元电路分成若干组，组内 单点接地，组间多点接地。 电磁兼容接地技术 混合接地 Vs 地电流 Rs Vs 安全接地 Rs 安全接地 地环路电流 电磁兼容接地技术 混合接地系统在不同的频率呈现不同的接地结构。 上图是一个系统工作在低频状态，为了避免公共阻抗 耦合，需要系统串联单点接地。但这个系统暴露在高频强 电场中，因此屏蔽电缆需要双端接地（在电缆屏蔽一章中 会看到：屏蔽高频需要多点接地）。图中所示的接地结构 解决了这个问题。对于电缆中传输的低频信

17、号，系统是单 点接地的，而对于电缆屏蔽层中感应的高频干扰信号，系 统是多点接地的。接地电容的容量一般在10nF以下，取决 于需要接地的频率。要注意电容的谐振问题（见滤波一 章），在谐振点电容的容抗最小。 电磁兼容接地技术 1.3.4 浮地浮地 悬浮接地简称浮地，它是将信号地与安全地相隔开。 浮地系统中，各单元的参考地通过低阻抗导线连接至信 号地，但信号地与建筑物结构地及其他导电物体隔离。 电磁兼容接地技术 1.4地环路干扰及抑制地环路干扰及抑制 实际的电子设备中，地线 本身既有电阻分量又有电抗 分量，当有电流流过地线时， 就会产生电压降，通过一定 的耦合方式对电路形成干扰。 地环路干扰是一种常

18、见的干 扰想象，其出现的根本原因 是地线上不同接地点的电位 差。由于电路的不平衡性， 地环路电流导致了对电路信 号造成影响的差模干扰电压 的出现。 电磁兼容接地技术 除了两个设备的地电位不同会造成地环路干扰外，当 设备而处于交变的电磁场中时看现好险和终端形成的环路 止中也会感应出环路电流。 解决方法： 1）减少地线的阻抗，从而减少干扰电压； 2）增加地环路的组抗，从而减少环路电流。当阻抗 很大时，实际上是将地环路切断； 3）消除公共阻抗耦合，避免公用地线，一般要避免 强电和弱电公用电线。 电磁兼容接地技术 1.4.1抑制地环路干扰的技术抑制地环路干扰的技术 1. 隔离变压器隔离变压器 通过阻隔

19、地回路的形成来抑制回路干扰。隔变压器 对地线中较低频率的环路干扰具有良好的抑制能力，但 不适于一直传输直流信号的干扰。一般用于传输频率较 高的交流信号。 电磁兼容接地技术 各种隔离变压器各种隔离变压器 SG隔离变压器 EI型隔离变压器 电磁兼容接地技术 申科隔离变压器 三相隔离变压器 电磁兼容接地技术 2. 中和变压器（纵向扼流圈）中和变压器（纵向扼流圈） 当传输的信号中有直流分量或很低频率分量时，这 时可将变压器以纵向扼流圈的形式接入信号传输线中， 称之为中和变压器。其是有两个绕向和匝数都相同的绕 组所购成的，一般常以双线并绕而成。 电磁兼容接地技术 3. 光耦合器光耦合器 通过光强传输里控

20、制字电信号，完全切断了，两个电 路的地环路。主要适用于数字信号的传输，而不适于模拟 信号地 传输。 电磁兼容接地技术 光耦合器光耦合器 电磁兼容接地技术 常用光耦合器 电磁兼容接地技术 4. 差分平衡电路差分平衡电路 当电路两端输入对地平衡时，即为平衡差分器件。 它具有两个信号输入端和一个公共端构成的信号入口， 其输出电压与两个输入端的电压差值成正比。 电磁兼容接地技术 ADI推出的差分放大器 ADA4939 ADI推出的ADA4932和 ADA4950差分放大器 电磁兼容接地技术 5.浮地浮地 将电路或设备与公共接地平台或可能引起回路电路的 公共导线进行电隔离的方法。这种方式的特点是各电路的

21、 接地面互相隔离而无公共的接地平面，因此可消除各级电 路间的接地电位差的干扰。 电磁兼容接地技术 1.5 电缆屏蔽体的接地电缆屏蔽体的接地 屏蔽电缆的应用是十分广泛的。但是真正取得满意效果 的却很少。特别是关于电缆层的接地问题，似乎是一个令人 十分困惑的问题。 电缆屏蔽层的接地方式与要抑制的干扰的频率有关。一 般分为低频电场、低频磁场和高频电磁波等种类。屏蔽的对 象不同，电缆屏蔽层的接地方式也不同。 对电场的屏蔽，屏蔽层只要接地就能获得满意的效果， 而对于磁场屏蔽，则屏蔽层的接地方式就要复杂一些。对于 高频电磁波的屏蔽，一般要与屏蔽机箱形成完整的屏蔽体才 能起作用。 这就是平常所说的，对于高频

22、电磁波，屏蔽电缆与屏蔽 机箱要360搭接。 电磁兼容接地技术 V0v H E 磁场屏蔽磁场屏蔽 电场屏蔽电场屏蔽 高频低磁高频低磁 波屏蔽波屏蔽 图1-11 屏蔽电缆的接地 电磁兼容接地技术 1.5.1电场屏蔽的电缆接地电场屏蔽的电缆接地 电缆接敏感电路的信号地，目的是电缆接敏感电路的信号地，目的是 将屏蔽层的电位保持在地电位。将屏蔽层的电位保持在地电位。 干扰频率较低干扰频率较低 干扰频率较高干扰频率较高 单点接地（否则出问题）单点接地（否则出问题） （在哪里接地？）（在哪里接地？） 多点接地多点接地 （间隔（间隔 /20接地接地） 电磁兼容接地技术 对电场的屏蔽，电缆的屏蔽层必须接地， 要

23、接信号参 考地。 当没有屏蔽电缆时，外界电场在信号导体直接感应出噪声 电压，使电路受到影响。为此，对电缆屏蔽。但是，如果 电缆屏 蔽层没有接地，外界电场在屏蔽层上感应出 电压，这个电压再次感应到信号导体上，同样产生干扰。 如果，将屏蔽层接地，则屏蔽层上的电压为“0”，不会 对信号导体产生干扰。 对于电场屏蔽的场合，当干扰频率较高时，为了保证 屏蔽层上各点都为0V，需要将屏蔽层多点接地，接地间 隔要小于/20。 电磁兼容接地技术 1.5.2 电缆多点接地带来的问题电缆多点接地带来的问题 IS IS LS RS VOUT M VIN VIN VOUT = VOUT+ ISRS 噪声噪声 1-12

24、电缆多点接地 电磁兼容接地技术 屏蔽层引入的噪声电压屏蔽层引入的噪声电压 当屏蔽层的两端地点位不同或外界有磁场时，会在屏蔽 层上产生电流IS（来源之一是工频电压），这时，信号回路 的电压方程为： VIN =VOUT - jMIS + jLSIS + RSIS 由于：M = LS，（假设屏蔽层上的电流均匀分布，则 从自电感的定义：L = / I，和互电感的定义：M = / I，容 易证明），则回路电压方程变为： VIN = VOUT + RSIS 从式中可以看出，在电路的输入端引入了噪声电压RSIS ， 为了避免这种噪声：为了避免这种噪声： 1.电缆的屏蔽层不要作为信号的回流线（信号地线）； 2.电缆的屏蔽层要单点接地； 电磁兼容接地技术 屏蔽双绞线 屏蔽双绞线 屏蔽双绞线 屏蔽同轴线 屏蔽同轴线 屏蔽同轴线 1.5.3 电缆屏蔽层接地位置电缆屏蔽层接地位置 1-13 屏蔽接地 电磁兼容接地技术 1.源浮地、输入电路接地的场合：源浮地、输入电路接地的场合：电缆屏蔽层接到放大器 的公共输入端，即使公共端没有在接地点，也没有关系。 2.源接地、输入电路浮地的场合：源接地、输入电路浮地的场合：电缆屏蔽层接到源的公 共输出端，即使公共端没有在接