接地對電源端口端子騷擾電壓測試的影響分析

（深圳出入境檢驗檢疫局工業(yè)品檢測技術(shù)中心，深圳 518067）

0 引言

電子產(chǎn)品內(nèi)部存在各種電子線路和元器件，在正常工作時，這些線路和元器件除了產(chǎn)生必需的有用信號外，還會產(chǎn)生一些非有意的騷擾信號。這些騷擾信號會通過各種線路和耦合路徑傳遞到產(chǎn)品的電源電路中，再從電源電路反向傳輸?shù)焦╇婋娐飞希瑢ν浑娋W(wǎng)中其他連網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾[1]。電源端口端子騷擾電壓測試就是對這部分傳導(dǎo)干擾進行檢測，該項目屬于電磁兼容檢測中的連續(xù)騷擾檢測項目之一。接地是電磁兼容中的一種重要的抑制噪聲的方法[2]。接地意味著產(chǎn)品的機殼或金屬件通過導(dǎo)線與電路的基準電位相連。接地效果對電源端口端子騷擾電壓的測試結(jié)果有著不可忽視的影響。

1 接地的目的

接地指電子產(chǎn)品的中性點或外導(dǎo)電部分經(jīng)由導(dǎo)體與基準電位相連。這個基準電位不一定是大地。通常接地有三個目的：

1）為各單元提供一個公共參考電位，保證各單元的地之間沒有電位差，保證設(shè)備和系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2）為電路中的瞬態(tài)干擾和靜電累積電荷提供泄放通道。

3）避免電子產(chǎn)品遭遇雷擊毀壞，避免操作人員觸電。

接地通過金屬導(dǎo)線與接地裝置連接來實現(xiàn)，按用途可分為保護接地、工作接地、防雷接地等。按形式可分為浮地、單點接地和多點接地。浮地將產(chǎn)品與公共接地平面進行電隔離，以減小進入設(shè)備的共模干擾電流。但浮地方式存在設(shè)備與地之間被擊穿的風險。單點接地只有一個共有接地點。由于每一個電路單元都在同一點接地，因此單點接地能夠消除公共阻抗耦合和低頻地環(huán)路。但工作頻率較高時，由于接地阻抗較大，電路上會產(chǎn)生較大的共模電壓，接地效果不好。多點接地是指產(chǎn)品中各個接地點直接接到距離它最近的地平面上，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，適用于高頻數(shù)字電路，但地環(huán)路過多會使電路更容易受到外界電路的干擾。

2 接地點位置對端子騷擾電壓測試的影響

在端子騷擾電壓的測試中發(fā)現(xiàn)，EUT（被測設(shè)備）的接地方式對測試結(jié)果有重要影響，甚至會影響結(jié)果的判定。EUT對AMN（人工電源網(wǎng)絡(luò)）的接地方式可以選擇單點接地或者多點接地，其對測試結(jié)果的影響已經(jīng)獲得驗證[3]。接下來將對EUT的接地位置對端子騷擾電壓測試的影響進行研究分析。標準要求EUT與AMN之間水平投影距離為80cm，EUT放置于80cm高的絕緣實驗桌上，按標準要求進行試驗布置。如圖1所示。

圖1 不同接地點位置的端子騷擾電壓試驗布置圖

以AMN為邊，在接地參考平板上取等距離的A、B、C、D、E共5個點，AB=BC=CD=DE=20cm。將A、B、C、D、E點分別與EUT上的接地點用接地線相連接，測試這5種情況下的端子騷擾電壓。測試結(jié)果如表1所示。

表1 不同接地點位置的端子騷擾電壓測試結(jié)果

從表1的測試結(jié)果可知，接地點選在A點時，測得的騷擾電壓較小，選在E點時，騷擾電壓較大。從A點到E點，騷擾電壓大致是增加的趨勢。原因在于，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線形成了一個環(huán)路。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，閉合環(huán)路中的磁通發(fā)生變化時將產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流大小與環(huán)路面積成正比。EUT正常工作時會通過外殼和電纜產(chǎn)生輻射騷擾，這些騷擾會在上述環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而增大騷擾電壓。測試原理如圖2所示。

圖2 接地點位置對端子騷擾電壓測試的影響原理圖

當接地點選在A點時，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線形成的環(huán)路面積最小，產(chǎn)生的感應(yīng)電流最小，此時測得的騷擾電壓最小。當接地點選在E點時，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線形成的環(huán)路面積最大，環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大，因此測得的騷擾電壓也較大。這說明接地點位置的選擇對端子騷擾電壓的測試結(jié)果具有重要影響。接地點距離AMN越近，接地線和電源線圍成的環(huán)路面積越小，產(chǎn)生的騷擾感應(yīng)電流越小，測得的騷擾電壓就越小。

3 接地線與電源線間距對端子騷擾電壓測試的影響

接下來對接地線與電源線間距對端子騷擾電壓測試的影響進行分析。標準要求EUT接地線應(yīng)當與電源線保持長度相同，平行于電源線，且間距不超過10cm進行布置[4]。為了便于分析，在AMN上選擇A、B、C、D、E共5個點進行試驗。A點到電源線O點距離為5cm，相鄰兩點之間的間距為5cm，即OA=AB=BC=CD=DE=5cm。試驗布置如圖3所示。

圖3 不同接地線間距的端子騷擾電壓試驗布置圖

將AMN上的A、B、C、D、E點分別與EUT的金屬外殼用接地線相連接，接地線與電源線始終保持平行布置，接地線與電源線間距分別為5cm，10cm，15cm，20cm，25cm。測量這5種情況下EUT電源端子的騷擾電壓。結(jié)果如表2所示。

表2 不同接地線間距下的端子騷擾電壓測試結(jié)果

從表2的數(shù)據(jù)可知，在同一個頻率，A點騷擾電壓往往較低，E點騷擾電壓較高。隨著接地線與電源線間距的增加，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線形成的環(huán)路面積變大，產(chǎn)生的騷擾電壓基本上逐漸變大。

圖4 接地線間距對端子騷擾電壓測試的影響原理圖

當接地點選在A點時，接地線與電源線間距最小，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線形成的環(huán)路面積最小，對輻射騷擾產(chǎn)生的感應(yīng)電流最小，因此測得的端子騷擾電壓較小。當接地點選在E點時，接地線與電源線間距最大，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線形成的環(huán)路面積最大，環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電流最大，測得的騷擾電壓也較大，這與閉合電路的電磁感應(yīng)定律是符合的。

4 對稱接地方式的探索

由于端子騷擾電壓測試時單根接地線容易形成環(huán)路，因此考慮將EUT與AMN進行對稱接地，即采用兩根接地線將EUT和AMN的接地端連接起來，這兩根接地線在電源線兩側(cè)呈對稱分布，且這三根線保持相互平行且處于同一平面。試驗布置如圖5所示。

圖5 對稱接地方式測試布置圖

測試時，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線會形成閉合環(huán)路，該環(huán)路會拾取EUT發(fā)出的部分輻射騷擾，在環(huán)路中疊加新的騷擾電壓，使騷擾電壓更高。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，閉合環(huán)路中的磁通量發(fā)生變化時會產(chǎn)生感應(yīng)電流。電流的方向可以用右手定則進行判定，即右手平展放入磁場中，若磁力線垂直進入手心，大拇指指向?qū)Ь€運動方向，則四指所指方向為導(dǎo)線中感應(yīng)電流的方向。測試原理如圖6所示。

圖6 對稱接地方式測試原理圖

接地線X與電源線構(gòu)成環(huán)路X，接地線X'與電源線構(gòu)成環(huán)路X'。按照閉合環(huán)路的電磁感應(yīng)定律，環(huán)路X與環(huán)路X'中產(chǎn)生的感應(yīng)電流在電源線上正好方向相反，大小相等，這樣電源線上的測得的端子騷擾電壓應(yīng)該可以降低。測試結(jié)果如表3所示。其中QPA、QPB、QPC、QPD、QPE分別表示接地線與電源線間距為5cm，10cm，15cm，20cm，25cm的騷擾電壓值。

表3 對稱接地線的端子騷擾電壓測試結(jié)果

將表2與表3的數(shù)據(jù)進行對比可以看出，大部分情況下，對稱接地比非對稱接地時端子騷擾電壓更低。這也說明對稱接地一定程度上是可以優(yōu)化騷擾電壓測試結(jié)果的。只是在少部分頻率，存在騷擾電壓略高于非對稱接地的情況。如圖7所示。縱坐標是非對稱接地與對稱接地時的騷擾電壓差值，用百分數(shù)表示，橫坐標是6個測試頻率點。

圖7 非對稱接地與對稱接地的端子騷擾電壓差值圖

從圖7可看出，在選擇的6個頻率上，在非對稱接地情況下，即采用單根接地線平行布置時，測得的端子騷擾電壓比對稱接地時的電壓通常要大。非對稱接地比對稱接地時騷擾電壓最多可以高出20%。換句話說，用兩根接地線對稱布置時，測得的騷擾電壓通常更低，偏差大致在-4%～20%之間。只有在個別頻率上對稱接地的騷擾電壓更高。究其原因在于騷擾電壓與EUT本身的輻射特性還是密切相關(guān)的。該EUT作為非標準騷擾源，產(chǎn)生的輻射是瞬態(tài)變化的。另一個原因與EUT的外接線纜有關(guān)，EUT在外接線纜的某些特定長度和頻率上輻射較大。還有就是雖然兩個環(huán)路的感應(yīng)電流可以抵消一部分，但是隨著接地線與電源線間距的增大，環(huán)路面積也在增大，產(chǎn)生的騷擾感應(yīng)電流也在增大，從而增加了測試的不確定性。

5 結(jié)論

根據(jù)端子騷擾電壓的測試原理，從接地點位置和接地線間距兩個方面，對端子騷擾電壓測試中接地的影響進行了分析研究。在此基礎(chǔ)上，提出了一種對稱接地思路，即對EUT用兩根地線平行于電源線對稱接地，以減小騷擾電壓。試驗結(jié)果表明，這種對稱接地方式通常比原有非對稱接地方式具有更低的騷擾電壓。目前標準中只是要求EUT的接地線與電源線平齊且間距不超過10cm，未有對接地點位置、接地線間距和數(shù)量等更詳細的規(guī)定，因此檢測人員必須注意接地方式對端子騷擾電壓測試存在的潛在影響，盡量選擇對測試結(jié)果影響更小的接地方式，以提高試驗的可重復(fù)性。

[1]朱文立.電磁兼容設(shè)計與整改對策及案例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[2]鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計與測試案例分析（第2版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[3]沈雪梅,姜寧浩,傅靜波.接地方式對電源端口傳導(dǎo)騷擾噪聲的影響分析[J].智能電網(wǎng),2016,(8).

[4]GB/T 6113.201-2008.無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范.第2-1部分:無線電騷擾和抗擾度測量方法傳導(dǎo)騷擾測量[S].