電子車輛的接地技術(shù)

摘 要： 從安全性接地、避雷接地、屏蔽接地、工作接地幾個(gè)具體方面分析總結(jié)了現(xiàn)在一般接地的方式和具體應(yīng)用場(chǎng)合，討論了不合理的接地方式導(dǎo)致的干擾形成的原理和一般工程上正確接地的應(yīng)用原則，并闡述了接地設(shè)計(jì)的重要性，研究了不同的系統(tǒng)設(shè)備的接地方案，并根據(jù)具體電子車輛上裝設(shè)備情況設(shè)計(jì)了兩種可行的接地方案。最后根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)提出了對(duì)外接地電阻小于等于10 Ω，設(shè)備與匯流排的搭接電阻小于等于5 mΩ的具體參考值。

關(guān)鍵詞： 接地； 安全性； 電磁兼容； 干擾

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）04?0076?04

電子車輛的接地最早是為了設(shè)備和人身的安全，用接地線直接將車體和大地相連接，當(dāng)車體或者設(shè)備外殼漏電時(shí)及時(shí)地將電通過地線導(dǎo)入大地，從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。目前隨著電子車輛上裝的車載電子系統(tǒng)的集成度也越來越高，大量的電源設(shè)備、機(jī)電設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、通信設(shè)備、測(cè)量?jī)x器儀表等集中在狹小的空間中，電磁兼容問題也越來越突出，接地也越來越被重視。電子車輛的上裝設(shè)備將接地線直接接在大地上，當(dāng)電流通過該參考電位時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生電壓降。然而由于不合理的接地，反而會(huì)引入了電磁干擾，比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等，從而導(dǎo)致電力電子設(shè)備工作不正常。可見，接地技術(shù)是保障上裝設(shè)備和人身安全以及電子車輛上裝的通信系統(tǒng)電磁兼容技術(shù)的重要內(nèi)容之一，有必要對(duì)電子車輛的接地技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 接地的種類及用途

作為解決目前電子車輛上裝設(shè)備電磁兼容問題和保證電子車輛安全性的方法之一的接地技術(shù)一般有以下幾種目的。

1.1 安全接地

為了防止車載電子系統(tǒng)設(shè)備金屬外殼上出現(xiàn)過高的對(duì)地電壓或者互連線纜絕緣損壞，從而使車體帶電而產(chǎn)生漏電流，危害人身、設(shè)備安全。故將車體通過接地線直接接地，即與大地相連。當(dāng)車載電子系統(tǒng)設(shè)備金屬外殼或者線纜的絕緣損壞而使車體帶電時(shí)，促使電源的漏電保護(hù)器動(dòng)作而切斷電源，以便保護(hù)工作人員的安全。這種接地稱為安全接地。

1.2 防雷接地

當(dāng)電子車輛遇雷擊時(shí)，不論是直接雷擊還是感應(yīng)雷擊，電子車輛上的上裝設(shè)備都將受到極大傷害。為防止雷擊而在電子車輛的電源、饋線、信號(hào)輸入口都設(shè)置避雷模塊，以防止雷電流危及設(shè)備和人身安全。對(duì)于電子車輛更多的是對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)，避雷模塊通過不小于6 mm2的接地線直接連接到電子車輛的系統(tǒng)接地點(diǎn)，即電子車輛的對(duì)外接地點(diǎn)，最后通過專門的接地線和接地釘與大地相連。在遇到雷擊的瞬時(shí)過電壓時(shí)，避雷模塊會(huì)隨著電涌電流與電壓的增加其阻抗不斷減小，將大量雷電電流泄入大地，從而保護(hù)了電子車輛上裝設(shè)備和人員的安全。

1.3 防靜電接地

通過電氣設(shè)備的固定裝置或者通過接地線將設(shè)備的外殼和電子車輛的車體相連，最終在車體接地柱處將靜電荷引入大地，防止由于靜電積聚對(duì)人體和電氣設(shè)備造成危害。特別是目前電子設(shè)備中集成電路被大量應(yīng)用，而集成電路容易受到靜電作用產(chǎn)生故障，接地后可防止電氣設(shè)備內(nèi)的集成電路被損壞。

1.4 工作接地

工作接地是為車載電子系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備正常工作而提供的一個(gè)基準(zhǔn)電位。由于車身的外形獨(dú)特，表面積大，因此它本身就是一個(gè)巨大的電容器，電子車輛的車體可以作為車載電子系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備的基準(zhǔn)電位。當(dāng)該基準(zhǔn)電位不與大地連接時(shí)，視為相對(duì)的零電位。這種相對(duì)的零電位會(huì)隨著外界電磁場(chǎng)的變化而變化，從而導(dǎo)致車載電子系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。當(dāng)該基準(zhǔn)電位與大地連接時(shí)，基準(zhǔn)電位視為大地的零電位，而不會(huì)隨著外界電磁場(chǎng)的變化而變化，從而保證車載電子系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定的工作。為防止各種電氣設(shè)備在工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地工作。根據(jù)性質(zhì)，將工作接地分為不同的種類，比如模擬地、數(shù)字地、屏蔽接地等。

1.4.1 模擬地

由于模擬電路既承擔(dān)小信號(hào)的放大，又承擔(dān)大信號(hào)的功率放大；既有低頻的放大，又有高頻放大；因此模擬電路既易接收干擾，又可能產(chǎn)生干擾。模擬地是電子車輛車載各種電氣設(shè)備的模擬電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。

1.4.2 數(shù)字地

由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài)，尤其是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時(shí)，易對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾。數(shù)字地是電子車輛車載各種電氣設(shè)備的數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。

1.4.3 屏蔽接地

在電子車輛中的屏蔽接地主要是指各種互連屏蔽線纜的接地，如果屏蔽線纜的屏蔽地處理不好，可能還會(huì)帶來副作用，而屏蔽線纜屏蔽與接地應(yīng)當(dāng)配合使用，才能起到屏蔽的效果。

2 基本接地方式及分析

一般接地方式有三種基本方式：?jiǎn)吸c(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和浮地。

2.1 單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地是指整個(gè)車載電子系統(tǒng)中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其他各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上，如圖1所示。

若系統(tǒng)的工作頻率很高，以致工作波長縮短到與接地引線的長度可相比擬時(shí)，就不能再采用單點(diǎn)接地方式了。因?yàn)楫?dāng)?shù)鼐€的長度接近[14]波長時(shí)，它就像一根終端短路的傳輸線，地線上的電流、電壓呈駐波分布，地線變成了輻射天線，而不能起到“地”的作用。

2.2 多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地是指電子車輛中的電子系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地點(diǎn)上，以使接地引線的長度最短，多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)比單點(diǎn)接地簡(jiǎn)單，而且由于采用了多點(diǎn)接地，接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象就顯著減少。多點(diǎn)接地如圖2所示。但是，采用多點(diǎn)接地以后，在系統(tǒng)內(nèi)部形成了許多地線回路，它們對(duì)系統(tǒng)內(nèi)較低的頻率會(huì)產(chǎn)生不良影響。

2.3 浮地

浮地是指電子車輛系統(tǒng)地線系統(tǒng)在電氣上與大地相絕緣，這樣可以減少由于地電流引起的電磁干擾。各個(gè)電路的系統(tǒng)與地連通，但與大地絕緣。如圖3所示。

若浮地系統(tǒng)對(duì)地電阻很大、對(duì)地分布電容很小，則由于外部共模干擾引起的流過電子線路的干擾電流就很小，但是浮地方式不能適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境。一個(gè)較大的電子系統(tǒng)因有較大的對(duì)地分布電容，因而很難保證真正的懸浮。當(dāng)系統(tǒng)基準(zhǔn)電位因受干擾而不穩(wěn)定時(shí)，通過對(duì)地分布電容出現(xiàn)位移電流，使設(shè)備不能正常工作。浮地的效果不僅取決于浮地的絕緣電阻的大小，而且取決于浮地的寄生電容的大小和信號(hào)的頻率，且當(dāng)發(fā)生雷擊或靜電感應(yīng)時(shí)，在電路與金屬箱體之間會(huì)產(chǎn)生很高的電位差，可能使絕緣較差的部位擊穿，甚至引起電弧放電。

2.4 接地方式的工程應(yīng)用

良好的接地應(yīng)該盡量避免形成不必要的地回路，并要盡量減小各個(gè)設(shè)備共同的接地阻抗產(chǎn)生的干擾電壓。

（1）單點(diǎn)地要解決的問題就是針對(duì)“公共地阻抗耦合”和“低頻地環(huán)路”；

（2）多點(diǎn)地是針對(duì)“高頻所容易通過長地走線產(chǎn)生的共模干擾”；

（3）低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1 MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用單點(diǎn)接地；

（4）當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10 MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地；

（5）當(dāng)工作頻率在1～10 MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的[120]，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，電子車輛車載電子系統(tǒng)中各種設(shè)備的信號(hào)交叉，故按照信號(hào)的性質(zhì)對(duì)不同的信號(hào)采用不同的接地方案。低頻信號(hào)、功率回路分別有各自的接地線，高頻回路則采用多點(diǎn)接地，然后再以并聯(lián)式把這三種回路連接到公共的基準(zhǔn)點(diǎn)，構(gòu)成混合接地。把電子系統(tǒng)內(nèi)的地線分成3大類：模擬地、數(shù)字地、殼體地（安全地）。系統(tǒng)中各設(shè)備的模擬信號(hào)地線都接到模擬信號(hào)地線上，所有的數(shù)字信號(hào)地線都接到數(shù)字信號(hào)總地線上，機(jī)殼地通過固定裝置接到車體。三條接地總地線最后匯總到一個(gè)公共的入地點(diǎn)。

2.5 地環(huán)路干擾及對(duì)策

地環(huán)路干擾是一種較常見的由于接地而出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過較長電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是設(shè)備之間的地線電位差。地線電壓導(dǎo)致了地環(huán)路電流，由于設(shè)備內(nèi)部電路的非平衡性，地環(huán)路電流導(dǎo)致對(duì)電路造成影響的差模干擾電壓。

地環(huán)路干擾形成的原因如下：

（1）兩個(gè)設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，“設(shè)備1?互聯(lián)電纜?設(shè)備2?地”形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于設(shè)備內(nèi)部電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。地線上的電壓是由于其他功率較大的設(shè)備也用這段地線，在地線中引起較強(qiáng)電流，而地線又有較大阻抗產(chǎn)生的。

（2）由于互聯(lián)設(shè)備處在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)在“設(shè)備1?互聯(lián)電纜?設(shè)備2?地”形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流，與原因1的過程一樣導(dǎo)致干擾。

解決地環(huán)路干擾的方法：解決地環(huán)路干擾的基本思路有三個(gè)：一個(gè)是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對(duì)第二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路沒有效果。另一個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無限大時(shí)，實(shí)際是將地環(huán)路切斷，即消除了地環(huán)路。但出于靜電防護(hù)或安全的考慮，這種直接的方法在實(shí)踐中往往是不允許的。更實(shí)用的方法是使用隔離變壓器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡電路等方法。第三個(gè)方法是改變接地結(jié)構(gòu)，將一個(gè)設(shè)備的地線連接到另一個(gè)設(shè)備上，通過另一個(gè)設(shè)備接地。

3 電子車輛的接地解決方案

筆者曾看到某電子車輛上的大功率電臺(tái)在發(fā)射時(shí)，在電臺(tái)內(nèi)部出現(xiàn)自激現(xiàn)象。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電臺(tái)的音頻線在轉(zhuǎn)接時(shí)，由于設(shè)備布局原因，音頻線較長且懸在車內(nèi)布線，屏蔽線的外屏蔽層沒有接地且音頻插頭都為陽極氧化，接插件外殼不導(dǎo)電。后經(jīng)將設(shè)備布局調(diào)整，將音頻線的屏蔽層接地且貼著車壁走線，接插件更換為外殼導(dǎo)電插頭。后經(jīng)研究分析該電子車輛上出現(xiàn)的電臺(tái)自激現(xiàn)象就是由于設(shè)備布局不合理和車內(nèi)音頻系統(tǒng)的接地未處理好而引發(fā)的問題。故電子車輛的接地設(shè)計(jì)在電子車輛的設(shè)計(jì)中非常重要，接地設(shè)計(jì)不好或者不重視會(huì)給后期的系統(tǒng)調(diào)試帶來很多問題，到時(shí)再處理會(huì)耗費(fèi)很多的人力、物力。所以在設(shè)計(jì)之初就要全面、系統(tǒng)的考慮系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)。電子車輛的接地可分為車內(nèi)接地和車外接地分別實(shí)施。車內(nèi)接地又分為模擬地、數(shù)字地、殼體地。車內(nèi)接地主要是通過接地匯流排將車內(nèi)的各種地匯集在車外的接地點(diǎn)，最后通過車外的接地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電子車輛的單點(diǎn)接地。

3.1 車內(nèi)接地

在實(shí)際電子車輛的車內(nèi)接地一般根據(jù)接地的性質(zhì)不同分為模擬地、數(shù)字地、殼體地三種。

（1）模擬地主要是電子車輛上的上裝的電子系統(tǒng)中的各種模擬信號(hào)提供一穩(wěn)定的零電位參考點(diǎn)；

（2）信號(hào)地主要是電子車輛上的上裝的電子系統(tǒng)中的各種數(shù)字信號(hào)提供一穩(wěn)定的零電位參考點(diǎn)；

（3）殼體地也叫屏蔽地、安全地，為防止靜電感應(yīng)和磁場(chǎng)感應(yīng)而設(shè)，其實(shí)電子設(shè)備的金屬機(jī)殼接地，還可以避免因絕緣擊穿或其他事故導(dǎo)致金屬機(jī)殼上出現(xiàn)過高對(duì)地電壓而危及操作人員和設(shè)備的安全。

電子車輛上裝電子系統(tǒng)設(shè)備一般分為電源設(shè)備、機(jī)電設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、通信設(shè)備、測(cè)量?jī)x器儀表等。一般電源設(shè)備、機(jī)電設(shè)備只要?dú)んw地，計(jì)算機(jī)設(shè)備只要模擬地、數(shù)字地、殼體地，通信設(shè)備則要模擬地、數(shù)字地、殼體地，測(cè)量?jī)x器儀表設(shè)備要模擬地、數(shù)字地、殼體地等。在實(shí)際的電子車輛接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)須根據(jù)具體的上裝系統(tǒng)設(shè)備類型及設(shè)備對(duì)外地的情況來具體考慮。在電子車輛上裝電子系統(tǒng)設(shè)備的模擬地、數(shù)字地、殼體地分開的情況下，可采用三套接地系統(tǒng)的單點(diǎn)接地方案：即各設(shè)備殼體地（安全地）就近接地（車體）、設(shè)備內(nèi)數(shù)字地線與模擬地線隔離并和車體絕緣、三條地線最終匯集于系統(tǒng)對(duì)外接地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。具體方案見圖4。三套接地系統(tǒng)保證了模擬地、數(shù)字地、殼體地（安全地）的相互隔離，有效的消除了由于干擾源與敏感設(shè)備存在共地阻抗而形成的傳導(dǎo)干擾。

圖4中：模擬地線：各設(shè)備模擬電路的接地和模擬電路用電源接地等；數(shù)字地線：各設(shè)備數(shù)字電路的接地和數(shù)字電路用電源接地等；安全地線（殼體）：各設(shè)備的干擾地、安全地及結(jié)構(gòu)地，各設(shè)備就近接地（車體）。數(shù)字地線匯流排、模擬地線匯流排在車體內(nèi)與車體絕緣，以保證相互之間的隔離；整個(gè)車內(nèi)系統(tǒng)采用三條分開的地線，三條地線最終匯集于系統(tǒng)接地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。

方案一中要求設(shè)備具有獨(dú)立的模擬地線和數(shù)字地線，但現(xiàn)有上裝設(shè)備有的模擬地與數(shù)字地合在一起，無法實(shí)現(xiàn)上述方案，因此可采用方案二，如圖5所示。圖5中，信號(hào)接地：各設(shè)備信號(hào)電路的接地和信號(hào)電路用電源接地等；安全地（殼體）：各設(shè)備的干擾地、安全地及結(jié)構(gòu)地，各設(shè)備就近接地（車體）；信號(hào)地線匯流排在車體內(nèi)與車體絕緣，以保證相互之間的隔離；信號(hào)地線和安全地線采用兩條分開的地線，兩條地線最終匯集于系統(tǒng)接地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地。兩套接地設(shè)計(jì)方案在電子車輛的接地方案設(shè)計(jì)可根據(jù)實(shí)際情況選擇，在具體工程實(shí)施時(shí)，一般按照以下的要求進(jìn)行：

（1）依據(jù)電子車輛內(nèi)設(shè)備布局設(shè)置接地匯流排；

（2）將車體的金屬接地端、設(shè)備金屬外殼保護(hù)地、防雷地等就近與接地匯流排相連，連接導(dǎo)線一般不小于35 mm2多股編織線；

（3）接地匯流排采用絕緣墊片與車體進(jìn)行可靠隔離，匯流排采用尺寸一般為20 mm×2 mm的紫銅排；

（4）接地匯流排僅在車壁電源口處與車體單點(diǎn)可靠相連，并匯集于一點(diǎn)接地；

（5）屏蔽電纜屏蔽層接地要求：保證360°接地，接地阻抗≤10 mΩ；

（6）濾波器的接地：

①電源濾波器外殼與車體搭接電阻≤5 mΩ；

②信號(hào)線濾波器、濾波連接器與機(jī)柜殼體搭接電阻≤5 mΩ。

3.2 車外接地

電子車輛的車外接地點(diǎn)一般位于車壁電源接入口上，它是車內(nèi)所有接地匯流排的匯集點(diǎn)，也是車載電子系統(tǒng)的系統(tǒng)接地點(diǎn)。電子車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下，用接地釘和接地線將電子車輛的對(duì)外接地點(diǎn)和大地連接起來。

車外接地點(diǎn)與大地具體接地與搭接阻抗要求：接地釘接地阻抗≤10 Ω；接地釘與導(dǎo)體搭接電阻≤2 mΩ（搭接時(shí)采用不小于M8的銅螺母）。當(dāng)?shù)蒯數(shù)慕拥刈杩惯_(dá)不到要求時(shí)可以采用多根接地釘組成地網(wǎng)或者在接地釘附近澆鹽水，減小接地電阻，使電子車輛系統(tǒng)良好接地。這樣既可保證系統(tǒng)的正常工作也可保障操作的安全。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)在多個(gè)電子車輛上試驗(yàn)驗(yàn)證，按照上述的接地方案和接地的要求，在先期進(jìn)行了詳細(xì)的接地方案設(shè)計(jì)的電子車輛系統(tǒng)，從未發(fā)生過由于接地而導(dǎo)致的安全性問題和系統(tǒng)的電磁兼容問題。實(shí)際證明解決方案是可行的，接地要求是合理的。可以作為電子車輛系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)方案的參考。經(jīng)實(shí)際測(cè)量車內(nèi)的設(shè)備的接地電阻一般在0.001 Ω左右，特別是對(duì)一些音頻設(shè)備和控制類設(shè)備，良好的接地和系統(tǒng)的接地方案對(duì)通話的話音等級(jí)的提高和減少話音中的雜音等有很好的效果。車外的接地電阻一般可以達(dá)到9 Ω左右，良好的車外接地可以保障整車電子系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電平和漏電的泄放通道，為整車安全和系統(tǒng)的正常可靠的工作提供保障。

5 結(jié) 語

為了電子車輛上裝電氣設(shè)備和人身的安全以及電子車輛上裝的電子系統(tǒng)正常可靠的工作，必須研究并重視接地技術(shù)。接地可直接接在大地上或者接在一個(gè)作為參考電位的導(dǎo)體上。不合理的接地反而會(huì)引入電磁干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不正常，特別是大功率通信設(shè)備與計(jì)算機(jī)等電子信息設(shè)備、信號(hào)轉(zhuǎn)接控制設(shè)備等弱電設(shè)備集成在同一車上時(shí)，應(yīng)重視對(duì)接地系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)，避免在后期系統(tǒng)調(diào)試時(shí)出現(xiàn)因?yàn)榻拥夭缓侠矶霈F(xiàn)的干擾問題，若后期出現(xiàn)干擾后再去整改，那為此而投入的人力、物力將是巨大的。因此，應(yīng)當(dāng)充分重視對(duì)接地技術(shù)的研究，接地技術(shù)是解決電子車輛電磁兼容和保證上裝電子系統(tǒng)正常工作的重要技術(shù)之一。

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