电磁兼容中的接地技术

1、电磁兼容中的接地技术 接地技术最早是应用在强电系统（电力系统、输变电设备、电气设备）中。 后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。主讲内容 地线 接地系统设计 E1接口的接地问题地线接地的目的：从电压方面考虑：提供一个等电位体；从电流方面考虑：提供一个电流通路。总的来说接地的目的就是为了提高电力电子设备的电磁兼容能力。对于信号地来说：在电气工程师看来：地线是电位参考点；对于电磁兼容性（）工程师看来：地线是信号电流流回信号源的低阻抗路径。地线引发干扰问题的本质 根据上面的阐述，地线是信号电流流回信号源的低阻抗路径。由此来揭示地线引发干扰问题的本质： （1） 地线中有电流流过，当电流流过有限阻抗时，必

2、然会导致压降。实际工程中用作地线的导体都是有一定阻抗的，而且设计不当的地线其阻抗还相当大。因此地线电流流过地线时，就会在地线上产生电压。因此地线不是一个等电位体。 （）地线非等电位体，作为电位参考点的等电位体，在实际系统中地线上各点电位不相同，于是设计电路的前提就被破坏了，电路也就不能正常工作了。所以必须认识到地线非等电位体的严重性。（）电流总是选择阻抗最小的路径，地线电流也是如此。 在一个系统中，对于频率较低的电流，地电流的信号回路相对容易确定，就是电阻最小的路径，此路径与系统和电路设计路径基本一致，不会出现大的偏差。 但是对于频率很高的电流，由于印制板中过孔、交互在一起的导线以及产品结构件

3、各种寄生电容和杂散电感的存在，地线电流的路径并不容易确定，这就导致实际的地线电流往往并不流过所设计的地线，这就使地线电流路径不确定，此时如果出现电磁干扰问题，由于不知道地线电流的真实路径，也就很难找到解决方案了。结论：地线设计的核心就是减小地线的阻抗。接地地线引发的问题及其解决方法1、地环路干扰 地环路干扰是一种较常见的干扰现象，其产生的内在原因是地环路电流的存在，如下图所示。地环路形成的原因包括以下个方面：（1）在个设备之间的地电压驱动下，在电路-互联电缆-电路-地线形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。（2）当处于互联的设备

4、处在较强的电磁场中，电磁场在设备、互联线缆和地线形成的环路中会感应出环路电流，与原因的过程一样导致干扰。通过上面的分析可以提出两个解决地环路干扰的思路： （1）尽可能减小地线的阻抗，从而减小共模干扰电压； （2）尽可能增大地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当地环路阻抗无限大时，就等同于断路，即消除了地环路。工程中具体的使用方法有： （1）隔离变压器 由电磁兼容三要素知道，切断地环路后此干扰会自然消失。隔离变压器正好就起到了这个作用，个设备之间的信号传输通过磁场耦合进行，避免了电气直接连接。 减小初次级之间寄生电容的方法：在初、次级之间加屏蔽层可以减小寄生电容。 屏蔽层的构造是用铜箔或铝箔绕一匝

5、，但不能形成短路环（可以在搭接处垫一片绝缘材料），经过良好屏蔽的变压器能够工作到1MHZ。（）光耦隔离器 光耦器件的寄生电容为2pF左右，因此能够在很高的频率起到隔离作用。在一些强弱电共同存在的系统中，如大功率变流器系统使用光纤传输驱动脉冲信号，则没有寄生电容的问题，并且还能抑制强电的大电流快速通断带来的高du/dt及di/dt引起的电磁干扰问题，从而能够获得十分完善的隔离效果。（）共模扼流圈 电流流过地线的噪声电压作为一种共模电压，在其电缆中流过的电流是共模电流。因此可以采用在电缆上绕制共模扼流圈的方法增加共模电流的感性阻抗，以抑制地环路电流。2、公共阻抗耦合 当个或个以上不同电路的电流流过

6、公共阻抗时，就出现了共阻抗耦合。 在电源线和接地导体上传播的干扰电流，通常都是通过共阻抗耦合进入敏感电路的。 地电流和都流过公共地阻抗。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响，就电路来说，它的地电压被流动在共地阻抗上的地电流所调制。因此，一些噪声信号从电路通过共地阻抗耦合到电路，即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制。 常用的解决办法是对每个电路分别供电，或加解耦电路。接地系统设计实际工程中按工作频率常常采用以下几种接地方式：1、单点接地 工作频率低（30MHz）的采用多点接地式（即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路）。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比

7、，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。 采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。3、混合接地 工作频率介于130MHz的电路采用混合接地式。 在单点接地的基础上再通过一些电感或电容多点接地，利用电感、电容器件在不同频率下具有不同阻抗的特性，使得地线系统在不同的频率下呈现出不同的接地结构，以保证电流的低阻抗回流路径，这就是混合接地的设计方法。它能很好地适用于工作在混合频率下的系统。4、浮地 即该电路的地与大地无导体连接。 其优点是由外部共模干扰引起的流过电子线路的干扰电流很小，对直接传入的传导干扰有较好抑制作用，并能避免因接地不当而产生

8、的干扰。该电路不受大地电性能的影响，可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。 其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰；由于该电路的地与大地无导体连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰。 因此，浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小，而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率。接地电阻的讨论1 对接地电阻的要求 接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。 该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的

9、威胁。2 降低接地电阻的方法 接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种： （1）降低接地线电阻，为此要选用总截面大和长度短的多股细导线。 （2）降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓、接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。 （3）降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率（如在土壤中注入盐水）。3 接地电阻的计算 垂直接地极接地电阻R为： R=0.366(/L)lg(4L/d) 式中：土壤电阻率,m； L接地极在地中的深度,m； d接地极的直径,m。例如，黄土取200m，L为2cm，d为0.05m，则垂直接地极接地电阻

10、R为80.67。如在土壤中注入盐水，使降为20m时，则接地极接地电阻R为8.067。E1接口的接地问题 在通信领域，E1数字中继信号的应用非常广泛，但许多产品E1接口在做电磁兼容实验时，有很多项目难以通过。 问题分析 E1信号线一般通过同轴线、双绞线连接到相关设备上，E1信号线的工作频率是2048kHZ，如果E1信号线在单板上不做任何处理，或者只是按照ITU.G703标准，单端接地处理，则传到发射的频谱图就可能出现下面两种超标。 由于E1信号的接口单元和成帧器发射有用信号的同时，多次频谱和交流分量也会沿着导线传输，这些就会形成干扰，特别是不通的E1接口器件供应商的接口电路和成帧器部分。 解决措施 在E1接口电路设计时，在PCB上采取共模电路进行高频抑制； 同时采用不