關于電磁兼容接地的探析

陜西凌云電器集團有限公司 梁 紅

陸軍航空兵軍代局駐蘭州地區軍事代表 于 悅

關于電磁兼容接地的探析

陜西凌云電器集團有限公司 梁 紅

陸軍航空兵軍代局駐蘭州地區軍事代表 于 悅

對于電磁兼容性的解決三要素：屏蔽、濾波、接地。解決電磁兼容問題必須從這三要素出發，缺一不可！缺少一個因素，問題就不會存在。從三要素入手分析，根據具體情況，消除其中的一個。

接地；信號接地；電源地線

考慮電磁兼容問題，準備要趁早。在產品設計前期階段，我們不能只關注“功能性設計”，而忽略EMC設計。電磁兼容措施要趁早，了解標準才能提早做準備。實驗證明，如果在產品研制的初始階段就同時進行電磁兼容性設計，這樣80%-90%的問題會在設計定型之前完成，如果等到整機聯調時再解決，不僅在技術上造成很大的難度，還會造成人力、物力的極大浪費。考慮的越早，問題越簡單，解決問題所需要的成本越低。

任何設備是騷擾源還是敏感設備，都是相對而言的。比如：研究一個電源的干擾問題時，電源就是干擾源，耦合通道就是空氣和各種電纜。與電源在同一個環境中的其他電子設備就是敏感源。

反過來當研究電源的敏感度（就是抗干擾能力），電源變成了敏感源，其他設備就成了干擾源。干擾源和敏感度都是相對而言，必須站在系統的角度，全面的看待問題。

1. 三要素中的接地

解決電磁兼容問題必須從屏蔽、濾波、接地這三要素出發，下面我們就重點分析接地。

傳統定義：在從事電路設計的人員范圍內，如果誰提出這樣的一個問題：什么是地線，地線起什么作用？馬上會引起同事的嘲笑。電路接地是太平常的事情。課本中說：地線就是電路中的電位參考點，為所有電路提供一個電位基準。

新定義：地線是信號流回源的低阻抗途徑，突出了電流的流動。當電流流過有限阻抗時，必然會導致電壓降，表示出實際地線上的電位情況。

從安全的角度、電路工作的角度考慮，接地是非常必要的。

2. 接地類型

系統工程中分為：防雷接地、安全接地、系統信號接地；系統、設備中分為：信號地、數字地、模擬地。

2.1安全接地

就是接大地。一是防止靜電放電，二是保護人員的安全。用電設備的底盤、機殼、底盤都應接地。

2.2防雷接地

把可能受到雷擊的物體和大地相接，用以提供泄放大電流的通路稱為防雷地。目的就是防止人及物體遭到雷擊，包括天線、大樓、電氣、電子設備等。雷擊的瞬間是以高電壓、大電流的形式表現出來，往往是破壞性的，毀滅性的結果。

雷電放電電流一般是脈沖性的大電流，可高達上百千安，它的上升沿可達微秒量級，因此要求防雷接地的接地電阻要小。為了避免雷擊電流引發設備之間的高電位差，要求防雷接地線路通暢，并與設備安全地之間有一定距離，或者設備安全之間特別是有電氣聯系或距離較近的設備進行低電感和電阻隔離搭接。

所以，防雷接地不能與安全接地混為一談，連接一起，避免高電壓、大電流形成時，電流倒流。

2.3保護接地

保護接地就是為了保護設備、裝置、電路及人身的安全，也稱之為安全地。因此，在設備、裝置、電路的底盤及機殼端一定要采取保護接地。因保護接地和人身安全相關，保護接地的方式在配電的標準規范中以及安全規范都有嚴格的規定。

保護接地主要用以保護工頻故障電壓對人身造成的危害，其保護原理是：通過把帶故障電壓的設備外殼短路到大地或地線端，保護過程中產生的短路電流是熔絲或空氣開關斷開。保護地的工頻電阻要求較小，同時要求保護地的可靠性很高。從電源頻率的角度來看，如僅對人身安全的保護接地而言，可以不對保護地提出低電感的要求。

2.4安全地

安全接地就是機殼接大地。一是防止機殼上積累電荷，產生靜電放電而危及設備和人身安全；二是當設備的絕緣損壞而使機殼帶電時，促使電源的保護動作而切斷電源，以便保護工作人員的安全。為了安全起見，電氣設備的機殼、底盤都應接地。

3. 信號接地

信號接地是通過信號地為電流回流到信號源提供一個低阻抗通路，為了抑制電磁干擾。接地的方式有兩種：單點接地和多點接地。

3.1單點接地

單點接地是指在一個線路中，只有一個物理點被定義為接地參考點，所有需要接地的點都直接接到這一點上。這種接地方法比較簡單，應注意將低電平電路安排在最接近公共接地點的位置。

3.2多點接地

多點接地是系統中各個接地點都接到距它最近的地平面上，使得接地線最短，適用于高頻電路。高頻信號電路在接地阻抗上起主導作用的是電感，為了降低地線阻抗，在高頻端都使用多點接地方式，但同時會出現多個接地點如圖1所示。

圖1 多點接地

圖1中每個接地電路對地電位為：

式中：Ri—地線排的電阻；Li—地線排的等效電感；Ii—電路的地電流。

由公式可知，為了降低電路的地電位，每個電路的地線應盡可能短而粗，以便降低地線阻抗。但在高頻時，由于趨膚效應，高頻電流只流經導體表面，此時要降低地線阻抗，通常采取地線排鍍銀的方式。然而多點接地將造成設備內部出現多個地線回路，通過地線回路將可能對低電平電路產生干擾，帶來不良影響。，造成地環路干擾。

如何選擇單點接地還是多點接地，需要根據具體情況決定。一般按下列準則選取：

（1）低頻（＜1MHz），且地線長度較短的情況（＜λ/20），選用單點接地方式；低頻（＞1MHz），且地線長度較長的情況（＞λ/20），選用多點接地方式。

（2）頻率介于1MHz～10MHz之間，且地線長度與λ/20相當的情況，選用單點和多點混合地方式。

（3）頻率＞10MHz的情況，采用多點接地方式。印制板可通過大面積接地來降低地線阻抗。

4. 電源分機地線設計

接地設計包括安全地線和信號地線兩類。安全地線很容易實現，在此不作討論，主要討論電源分機地線設計。

飛機系統的提供的電源有兩種：27V直流電源和400Hz交流電源。但完成各部分電路中很少直接使用這兩種電源，而是由電源分機對這兩種電源進行處理后提供給其他電路。

常用的電源電路有：線性電源電路和開關電源電路。線性電路的噪聲小，但效率低、損耗大；開關電路的噪聲大，但效率高。根據實際需要，電源分機既包含線性電路又包括開關電路，因此電源分機印制板的地線采用了單點和多點接地兩種方式，線性電路部分以單點接地為主，而開關電路部分以多點接地為主，最終連接到公共接地點。

對其他電路來說，電源分機可等效為圖2的形式，VL和VS分別代表線性電源和開關電源的輸出，ZL和ZS分別代表線性電路和開關電路的內阻，其中包括印制導線的阻抗。

印制導線的電阻：

印制導線的自感：

其中：ρ—印制線材料的電阻率；l—印制線長；w—印制線寬；t—印制線厚。

由公式可看出印制導線的電阻和自感與其寬度成反比，而與其長度成正比，通過加寬線條、縮短長度可減小印制導線的阻抗（見圖2）。

圖2 電源分機輸出等效電路

5. 結束語

接地的功用除了將一些無用的電流或是噪聲干擾導入大地外，最大功用為保護使用者不被電擊，確保產品不會造成對人體的電擊傷害。在實際中，針對不同的狀態，選擇正確的接地方式尤為重要。

［1］白同云編著.電磁兼容設計實例精選［M］.中國電力出版社，2008.

［2］張輝，曹麗娜.現代通信原理與技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008.