EMC中的兩種接地技術(shù)

郭亞紅

(漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南漯河 462002)

EMC中的兩種接地技術(shù)

郭亞紅

(漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南漯河 462002)

電磁兼容接地設(shè)計(jì)有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地2種基本方法,低頻電路中要求用單點(diǎn)接地,高頻電路中用多點(diǎn)接地,用多點(diǎn)接地設(shè)備如果不能通過EFT/B測試,可以嘗試單點(diǎn)接地方法。實(shí)驗(yàn)證明,對某些高頻電路完全可以用單點(diǎn)接地方法滿足EMC要求。

接地技術(shù);EMC;EFT/B

1 EMC接地技術(shù)

接地技術(shù)是一種成本最低、在EMC(電磁兼容)技術(shù)中比較可行的技術(shù)。通常,應(yīng)用良好的接地技術(shù)可以解決50%以上的EMC問題[1]。當(dāng)然接地技術(shù)本身是融入到屏蔽和濾波技術(shù)中的,因而它又是一種相對復(fù)雜的技術(shù)[2]。

在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時,必須明確接地方法,而不能隨意使用,可以在單點(diǎn)和多點(diǎn)接地技術(shù)這2種基本接地方法中任選一種。通用的經(jīng)驗(yàn)法則是,工作頻率小于1 MHz的低頻電路中,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)流對干擾影響較大,因而應(yīng)采用單點(diǎn)接地;當(dāng)信號工作頻率大于 10 MHz時,地線阻抗變得很大,此時應(yīng)盡量降低地線阻抗,因而采用多點(diǎn)接地[3-5];當(dāng)工作頻率為1～10 MHz時,如果最長的走線或接地引線線長小于波長的1/20,才可以用單點(diǎn)接地,否則需用多點(diǎn)接地[6]。

2 案例介紹

某產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示,由于工作于高頻(20 MHz),所以設(shè)計(jì)為多點(diǎn)接地。

在進(jìn)行電源端口為±2 kV、信號端口為±1 kV的電快速瞬變脈沖群(EFT/B)測試時發(fā)現(xiàn),當(dāng) P1,P2,P3同時接地時,測試均不能通過;當(dāng)P1,P2接地,而P3不接地時,電源口與信號電纜1的EFT/B測試可以通過,但是信號電纜2測試不能通過;當(dāng)P1,P3接地,而P2不接地時,電源口與信號電纜2的 EFT/B測試可以通過,但是信號電纜1測試不能通過;當(dāng)P2,P3接地,而P1不接地時,信號電纜1與信號電纜2測試能通過,但電源口測試不能通過[7]。

從以上結(jié)果看,無論用哪種多點(diǎn)接地方式均不能讓所有端口的EFT/B測試通過。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Fig.1 Product structure

3 原因分析

EFT/B由電路中的感性負(fù)載斷開時產(chǎn)生。其特點(diǎn)不是單個脈沖,而是一連串的脈沖,單個脈沖波形前沿上升時間tr可達(dá)5 ns,半寬T可達(dá)50 ns,這就注定了脈沖群干擾具有極其豐富的諧波成分。幅度較大的諧波頻率至少可以達(dá)到1/(πtr),即可以到達(dá)60 MHz左右[8]。電源線、EU T(被測設(shè)備)、信號線與參考接地板之間均有寄生電容存在。這些寄生電容的存在給 EFT/B干擾提供高頻的注入路徑[9]。因此,試驗(yàn)時 EFT/B干擾電流會以共模的形式通過各種寄生電容注入到電路的各個部位,對電路產(chǎn)生較大影響。

試驗(yàn)原理圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Test schematic

圖2中,EFT為干擾源,干擾源分別施加在電源口、信號電纜1與信號電纜2上;C1,C2是 EU T電源輸入口的 Y電容;C3,C4是信號電纜對參考地的分布電容;P1,P2,P3是3個接地點(diǎn);頂層PCB板(印刷電路板)與底層 PCB板通過排針互相連接。Z1-Zn表示信號排針的阻抗;Zg1表示地排針的阻抗;Zg2表示P2,P3之間走線的阻抗。

EFT/B干擾造成設(shè)備失效的機(jī)理是因?yàn)楦蓴_信號對設(shè)備線路電容充電,在上面的能量積累到一定程度之后,引起線路乃至系統(tǒng)出錯[10]。電容充電過程也就是 EFT/B干擾的共模電流流過 EU T的過程[10],流過EU T的共模電流的大小和時間直接決定了EFT/B試驗(yàn)結(jié)果。

圖2中的箭頭線表示實(shí)驗(yàn)時共模電流的流向,由此可見,在 EFT/B干擾源的遠(yuǎn)端接地會促進(jìn)EFT/B共模電流流過 EU T內(nèi)部電路,當(dāng)共模電流流過內(nèi)部電路時,電流流經(jīng)的阻抗是決定干擾影響的關(guān)鍵。如果阻抗大,則會有較大的壓降產(chǎn)生,即EU T會受到較大的干擾,阻抗較小則反之[11]。本產(chǎn)品中,PCB板之間通過排針互連,顯然高頻下阻抗較大(一般一個PCB板上的接插件,有520μH的分布電感;一個雙列直插的24引腳集成電路插座,引入4～18μH的分布電感)。3個接地之間通過較窄的PCB走線互連,阻抗也較大。因此導(dǎo)致該產(chǎn)品EFT/B測試不能通過。

4 改進(jìn)措施

1)將多點(diǎn)接地改成單點(diǎn)接地,即圖2中的 P2,P3僅接電纜的屏蔽層,取消參考地的接地線,只保留P1接地。這樣可以減小共模電流流過 EU T內(nèi)部電路。

2)用一塊金屬片將 P1,P2,P3連接在一起,讓金屬片盡量有少的過孔、縫隙,而且保證任何2點(diǎn)間的長寬比小于3(一般認(rèn)為等電位連接的可靠方式是讓任何2點(diǎn)間的導(dǎo)線連接部分的長寬比小于5[9],這里取長寬比小于3),這樣能有效減小阻抗,當(dāng)共模電流流過時,壓降較小。

經(jīng)過改進(jìn)后,再進(jìn)行EFT/B測試,則順利通過。

5 結(jié) 語

對高頻電路的 EMC設(shè)計(jì),如果多點(diǎn)接地設(shè)備不能通過EFT/B測試,則可以嘗試單點(diǎn)接地,對一些設(shè)備來說,做到連接各接地點(diǎn)的金屬片盡量完整,同時保證任何2點(diǎn)間的長寬比小于一定數(shù)值,改為單點(diǎn)接地后能滿足EMC要求。

[1]郭亞紅.集成電路中抑制電磁干擾的布線措施[J].河北工業(yè)科技,2010,27(1):46-48.

[2]呂林強(qiáng).電磁兼容中的接地技術(shù)[J].煤炭技術(shù),2009(2):43-44.

[3]吳冬燕.電磁兼容檢測與優(yōu)化[J].電子測量技術(shù),2010,33(3):9-12.

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[6]李艷春,生一華.電磁兼容接地和抑制干擾研究[J].山西電力,2009(3):57-59.

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[10]張青山,趙萬章,張雪峰.電磁兼容與系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2009,27(3):229-234.

[11]王宇翔.電子產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)與實(shí)用經(jīng)驗(yàn)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2010,28(4):52-55.

Case analysis of EMC grounding technology

GUO Ya-hong
(Luohe Vocational and Technical College,Luohe Henan 462002,China)

The EMC grounding design consists of single-point grounding and multi-point grounding.Low-frequency circuits require single-point grounding,while multi-point grounding is usually used for equipments of high-frequency circuits.However,when the equipment can not pass the EFT/B test,single-point grounding can be used instead.Experiments prove that some high-frequency circuits can use single-point grounding to meet the EMC requirements.

grounding technology;EMC;EFT/B

TM15

A

1008-1534(2011)04-0270-02

2011-03-03;

2011-04-06

責(zé)任編輯:李 穆

郭亞紅(1966-),男,河南漯河人,副教授,主要從事電磁兼容技術(shù)方面的研究。