電磁兼容設(shè)計(jì)中接地技術(shù)的探討

呂士斌，梁雪松

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

在實(shí)際工程應(yīng)用中許多電磁干擾問(wèn)題都是由于不合理的地線(xiàn)造成的[1]。地線(xiàn)設(shè)計(jì)作為電磁兼容性設(shè)計(jì)中十分重要的一環(huán)，如不在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段或者系統(tǒng)構(gòu)思時(shí)期就進(jìn)行充分考慮和設(shè)計(jì)，到了系統(tǒng)調(diào)試的最后階段往往會(huì)遇到一些莫名其妙的電磁干擾問(wèn)題。這些問(wèn)題大多時(shí)候很難解決，甚至?xí)拐麄€(gè)系統(tǒng)方案或者產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式發(fā)生重大改變，影響產(chǎn)品研發(fā)周期。所以為了提高對(duì)接地的認(rèn)識(shí)，充分認(rèn)識(shí)到接地技術(shù)在電磁兼容性設(shè)計(jì)中的重要性，有必要對(duì)接地、接地設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，設(shè)計(jì)出合理有效的地線(xiàn)，以保證產(chǎn)品滿(mǎn)足電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 地 線(xiàn)

1.1 地線(xiàn)的分類(lèi)

根據(jù)接地目的不同，接地線(xiàn)分為安全地、交流地、直流地、機(jī)殼地、屏蔽地、信號(hào)地、數(shù)字地、模擬地和防雷地等。而對(duì)于接地的目的，從電壓方面考慮：提供一個(gè)等電位體；從電流的方面考慮：提供一個(gè)電流通路。所以，連接任何一根地線(xiàn)時(shí)都要想清楚其作用。對(duì)于信號(hào)地來(lái)說(shuō)，在電氣工程師看來(lái)，地線(xiàn)是電位參考點(diǎn)；對(duì)于電磁兼容性（EMC）工程師，地線(xiàn)是信號(hào)電流流回信號(hào)源的低阻抗路徑。

1.2 地線(xiàn)引發(fā)干擾問(wèn)題的本質(zhì)

地線(xiàn)干擾問(wèn)題是許多人感到困惑的問(wèn)題。根據(jù)上面的闡述，地線(xiàn)是信號(hào)電流流回信號(hào)源的低阻抗路徑。這是反映了地線(xiàn)真實(shí)情況的定義。根據(jù)這個(gè)定義，用如下分析來(lái)揭示地線(xiàn)引發(fā)干擾問(wèn)題的本質(zhì)：

（1）地線(xiàn)中有電流流過(guò)，當(dāng)電流流過(guò)有限阻抗時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致壓降。實(shí)際工程中用作地線(xiàn)的導(dǎo)體都是有一定阻抗的，而且設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)牡鼐€(xiàn)其阻抗還相當(dāng)大。因此地線(xiàn)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，就會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓[2]。因此地線(xiàn)不是一個(gè)等電位體。

（2）地線(xiàn)非等電位體，作為電位參考點(diǎn)的等電位體，在實(shí)際系統(tǒng)中地線(xiàn)上各點(diǎn)電位不相同，于是設(shè)計(jì)電路的前提就被破壞了，電路也就不能正常工作了。所以必須認(rèn)識(shí)到地線(xiàn)非等電位體的嚴(yán)重性。

（3）電流總是選擇阻抗最小的路徑，地線(xiàn)電流也是如此。在一個(gè)系統(tǒng)中，對(duì)于頻率較低的電流，地電流的信號(hào)回路相對(duì)容易確定，就是電阻最小的路徑，此路徑與系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)路徑基本一致，不會(huì)出現(xiàn)大的偏差。但是對(duì)于頻率很高的電流，由于印制板中過(guò)孔、交互在一起的導(dǎo)線(xiàn)以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件各種寄生電容和雜散電感的存在，地線(xiàn)電流的路徑并不容易。這就導(dǎo)致實(shí)際的地線(xiàn)電流往往并不流過(guò)所設(shè)計(jì)的地線(xiàn)，這就使地線(xiàn)電流路徑不確定，此時(shí)如果出現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題，由于不知道地線(xiàn)電流的真實(shí)路徑，也就很難找到解決方案了。

通過(guò)以上的分析，可以得出下面的結(jié)論：地線(xiàn)設(shè)計(jì)的核心就是減小地線(xiàn)的阻抗。

導(dǎo)體的阻抗Z由兩部分組成，一部分是電阻成份，另一部分是電感成份，即：

式中：RAC為導(dǎo)體的交流阻抗；L為導(dǎo)體的內(nèi)電感。

對(duì)于作為信號(hào)地線(xiàn)使用的導(dǎo)體，必須考慮交流電阻。因?yàn)椋鼐€(xiàn)流過(guò)的信號(hào)電流一般是交變電流，而且頻率可以很高（與信號(hào)頻率同樣高）。導(dǎo)體的交流電阻比直流電阻大，這是因?yàn)榻涣麟娏髟趯?dǎo)體上產(chǎn)生趨膚效應(yīng)的緣故。由于趨膚效應(yīng)，電流流過(guò)的有效截面積減小，電阻增加。交流電阻值可以用下面的公式計(jì)算：

式中：r為導(dǎo)體的半徑，單位cm；f為流過(guò)導(dǎo)體的電流頻率，單位Hz；RDC為導(dǎo)體的直流阻抗。

如果導(dǎo)體的截面不是圓形，則用下式求r：

任何一段導(dǎo)體都存在電感，這種電感稱(chēng)為內(nèi)電感，以區(qū)分于通常與環(huán)路面積有關(guān)的外電感。對(duì)于圓形截面導(dǎo)體，內(nèi)電感的計(jì)算公式如下：

式中：s為導(dǎo)體長(zhǎng)度，單位m；d為導(dǎo)體直徑，單位m。

由上面分析，若想減小Z，就要減小RAC和L。同一導(dǎo)體在直流、低頻和高頻情況下所呈現(xiàn)的阻抗不同，而導(dǎo)體的電感同樣與導(dǎo)體半徑、長(zhǎng)度以及信號(hào)頻率有關(guān)，所以在地線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)不同頻率下的導(dǎo)體阻抗來(lái)選擇導(dǎo)體截面大小，尤其是高頻電路的地線(xiàn)，一定要短而粗。

2 接地地線(xiàn)引發(fā)的問(wèn)題及其解決方法

接地不當(dāng)引起的干擾包括地環(huán)路干擾問(wèn)題和公共阻抗耦合，下面分別詳述其產(chǎn)生的具體原因和解決方法。

2.1 地環(huán)路問(wèn)題

地環(huán)路干擾是一種較常見(jiàn)的干擾現(xiàn)象，其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是地環(huán)路電流的存在，如圖1所示。

圖1 地環(huán)路干擾

地環(huán)路形成的原因包括以下2個(gè)方面：

（1）在2個(gè)設(shè)備之間的地電壓驅(qū)動(dòng)下，在電路1－互聯(lián)電纜－電路2－地線(xiàn)形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線(xiàn)上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。

（2）當(dāng)處于互聯(lián)的設(shè)備處在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)在設(shè)備、互聯(lián)線(xiàn)纜和地線(xiàn)形成的環(huán)路中會(huì)感應(yīng)出環(huán)路電流，與原因1的過(guò)程一樣導(dǎo)致干擾。

通過(guò)上面的分析可以得出解決地環(huán)路干擾的兩個(gè)思路：一個(gè)是盡可能減小地線(xiàn)的阻抗，從而減小共模干擾電壓；另一個(gè)是盡可能增大地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)?shù)丨h(huán)路阻抗無(wú)限大時(shí)，就等同于斷路，即消除了地環(huán)路。根據(jù)上面闡述的兩種解決地環(huán)路問(wèn)題的思路，工程中實(shí)用的方法是采用隔離變壓器、光耦合、增加共模扼流圈等方法。

（1）隔離變壓器。由電磁兼容三要素知道，切斷地環(huán)路后此干擾會(huì)自然消失。隔離變壓器正好就起到了這個(gè)作用，2個(gè)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸通過(guò)磁場(chǎng)耦合進(jìn)行，避免了電氣直接連接。

變壓器隔離的方法有一些缺點(diǎn)，不能傳輸直流，體積大，成本高。由于變壓器的初次級(jí)之間有寄生電容，因此高頻時(shí)的隔離效果不是很好。在圖2中設(shè)初次級(jí)之間的寄生電容是Cp，RL上的噪聲電壓為：

圖2 隔離變壓器寄生電容

由式（5）可以看到：如果初次級(jí)之間的電容較小，則耦合電壓也較小。因此，要設(shè)法減小初次級(jí)間電容。減小初次級(jí)之間寄生電容的方法：在初次級(jí)之間加屏蔽層可以減小寄生電容。屏蔽層的構(gòu)造是用銅箔或鋁箔繞一匝，但不能形成短路環(huán)（可以在搭接處墊一片絕緣材料），經(jīng)過(guò)良好屏蔽的變壓器能夠工作到1MHz[3]。

（2）光耦隔離器。光耦器件的寄生電容為2pF左右，因此能夠在很高的頻率起到隔離作用。在一些強(qiáng)弱電共同存在的系統(tǒng)中，如大功率變流器系統(tǒng)使用光纖傳輸驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，則沒(méi)有寄生電容的問(wèn)題，并且還能抑制強(qiáng)電的大電流快速通斷帶來(lái)的高du／dt及di／dt引起的電磁干擾問(wèn)題，從而能夠獲得十分完善的隔離效果。

（3）共模扼流圈。電流流過(guò)地線(xiàn)的噪聲電壓作為一種共模電壓，在其電纜中流過(guò)的電流是共模電流。因此可以采用在電纜上繞制共模扼流圈的方法增加共模電流的感性阻抗，以抑制地環(huán)路電流。

2.2 公共阻抗耦合

當(dāng)2個(gè)或2個(gè)以上不同電路的電流流過(guò)公共阻抗時(shí)，就出現(xiàn)了共阻抗耦合。

在電源線(xiàn)和接地導(dǎo)體上傳播的干擾電流，通常都是通過(guò)共阻抗耦合進(jìn)入敏感電路的。圖3為這種耦合的典型例子。地電流1和2都流過(guò)公共地阻抗。一個(gè)電路的地電位會(huì)受到另一個(gè)電路工作狀態(tài)的影響，就電路1來(lái)說(shuō)，它的地電壓被流動(dòng)在共地阻抗上的地電流2所調(diào)制。因此，一些噪聲信號(hào)從電路2通過(guò)共地阻抗耦合到電路l，即一個(gè)電路的地電位受另一個(gè)電路的地電流的調(diào)制。在控制系統(tǒng)中，共阻抗耦合比較多，常用的解決辦法是對(duì)每個(gè)電路分別供電，或加解耦電路。

3 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中接地方法有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地等種類(lèi)。

（1）單點(diǎn)接地，即整個(gè)系統(tǒng)的地線(xiàn)接到公共地線(xiàn)的同一點(diǎn)的接地方式，按照應(yīng)用方式的不同可再細(xì)分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。

圖3 公共阻抗耦合

由于電路之間存在公共阻抗，進(jìn)而產(chǎn)生的公共阻抗耦合干擾十分嚴(yán)重，使得串聯(lián)單點(diǎn)接地并不實(shí)用。這時(shí)就需要并聯(lián)單點(diǎn)接地。但是，并聯(lián)單點(diǎn)接地需要的導(dǎo)線(xiàn)較多，增加了系統(tǒng)線(xiàn)路復(fù)雜度，所以工程中一般采用串聯(lián)、并聯(lián)混合接地的方法，如圖4所示。首先對(duì)系統(tǒng)各電路模塊按照特性進(jìn)行分類(lèi)，按照強(qiáng)弱電分開(kāi)、模擬電路和數(shù)字電路分開(kāi)的原則，把相互之間不易發(fā)生干擾的電路放在同一組，相互之間容易發(fā)生干擾的電路放在不同的組。每個(gè)組內(nèi)采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，獲取相對(duì)簡(jiǎn)單的地線(xiàn)結(jié)構(gòu)，不同組的接地采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，避免相互之間干擾。

圖4 單點(diǎn)串并聯(lián)混合接地

在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，單點(diǎn)串并聯(lián)的應(yīng)用很普遍。在正在進(jìn)行的2MW電機(jī)試驗(yàn)電源項(xiàng)目中，就是把電流傳感器電路、電機(jī)溫度傳感器電路和水冷卻系統(tǒng)電路等模擬電路的地串聯(lián)起來(lái)。而對(duì)于控制電路，采用的是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），其工作電壓低，工作頻率高，對(duì)于此類(lèi)高速數(shù)字電路，要和其他電路的地分開(kāi)來(lái)；除此之外，電機(jī)勵(lì)磁回路、微繼電器驅(qū)動(dòng)電路工作電壓高，電流變化大，極易產(chǎn)生干擾，必須要和其他電路的地線(xiàn)分開(kāi)來(lái)。通過(guò)分類(lèi)，同類(lèi)之間串聯(lián)接地，不同類(lèi)之間只是通過(guò)一點(diǎn)接到大地。

（2）多點(diǎn)接地。在高頻電路和數(shù)字電路中，由于寄生電感的存在，會(huì)使電流路徑很不明確。為了減小地線(xiàn)電感，電路的接地線(xiàn)要盡量短，常使用多點(diǎn)接地。在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中，每個(gè)電路就近接到低阻抗的地線(xiàn)上。在頻率很高的系統(tǒng)中，通常接地線(xiàn)要控制在幾毫米的范圍內(nèi)才能達(dá)到系統(tǒng)的地線(xiàn)設(shè)計(jì)要求[4]。

（3）混合接地。在單點(diǎn)接地的基礎(chǔ)上再通過(guò)一些電感或電容多點(diǎn)接地，利用電感、電容器件在不同頻率下具有不同阻抗的特性，使得地線(xiàn)系統(tǒng)在不同的頻率下呈現(xiàn)出不同的接地結(jié)構(gòu)，以保證電流的低阻抗回流路徑，這就是混合接地的設(shè)計(jì)方法。它能很好地適用于工作在混合頻率下的系統(tǒng)。

以上只是給出了在實(shí)際工程應(yīng)用中系統(tǒng)地線(xiàn)設(shè)計(jì)中的一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)于實(shí)際的系統(tǒng)，需要根據(jù)具體的情況靈活選用接地方式。但是只要抓住上面闡述的地線(xiàn)設(shè)計(jì)的核心，就能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的地線(xiàn)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電子設(shè)備系統(tǒng)性能的不斷提高，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜和緊湊，功率密度更大，產(chǎn)品研發(fā)周期更短，使得電磁兼容設(shè)計(jì)更加重要和急迫。由于電磁兼容設(shè)計(jì)涉及到系統(tǒng)整體布局、電路、屏蔽、接地與線(xiàn)纜敷設(shè)等諸多方面，涉及范圍廣，解決難度大[5]。在實(shí)際工作中還需要綜合使用屏蔽、濾波等技術(shù)措施，統(tǒng)籌考慮形成產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)的規(guī)范，以保證良好的電磁兼容性。

[1]白同云，呂曉德.電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[2]王守三.設(shè)備和系統(tǒng)安裝的電磁兼容技術(shù)、技巧和工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]周志敏，紀(jì)愛(ài)華.電磁兼容技術(shù)：屏蔽、濾波、接地、浪涌、工程應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4]高攸綱.屏蔽與接地——電磁兼容技術(shù)與應(yīng)用叢書(shū)[M].北京：北京郵電學(xué)院出版社，2004.

[5]楊繼深.電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.