電磁兼容設計中接地技術的探討

呂士斌，梁雪松

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

在實際工程應用中許多電磁干擾問題都是由于不合理的地線造成的[1]。地線設計作為電磁兼容性設計中十分重要的一環(huán)，如不在產(chǎn)品設計階段或者系統(tǒng)構(gòu)思時期就進行充分考慮和設計，到了系統(tǒng)調(diào)試的最后階段往往會遇到一些莫名其妙的電磁干擾問題。這些問題大多時候很難解決，甚至會使整個系統(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。所以為了提高對接地的認識，充分認識到接地技術在電磁兼容性設計中的重要性，有必要對接地、接地設計進行討論，設計出合理有效的地線，以保證產(chǎn)品滿足電磁兼容性標準的要求。

1 地 線

1.1 地線的分類

根據(jù)接地目的不同，接地線分為安全地、交流地、直流地、機殼地、屏蔽地、信號地、數(shù)字地、模擬地和防雷地等。而對于接地的目的，從電壓方面考慮：提供一個等電位體；從電流的方面考慮：提供一個電流通路。所以，連接任何一根地線時都要想清楚其作用。對于信號地來說，在電氣工程師看來，地線是電位參考點；對于電磁兼容性（EMC）工程師，地線是信號電流流回信號源的低阻抗路徑。

1.2 地線引發(fā)干擾問題的本質(zhì)

地線干擾問題是許多人感到困惑的問題。根據(jù)上面的闡述，地線是信號電流流回信號源的低阻抗路徑。這是反映了地線真實情況的定義。根據(jù)這個定義，用如下分析來揭示地線引發(fā)干擾問題的本質(zhì)：

（1）地線中有電流流過，當電流流過有限阻抗時，必然會導致壓降。實際工程中用作地線的導體都是有一定阻抗的，而且設計不當?shù)牡鼐€其阻抗還相當大。因此地線電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓[2]。因此地線不是一個等電位體。

（2）地線非等電位體，作為電位參考點的等電位體，在實際系統(tǒng)中地線上各點電位不相同，于是設計電路的前提就被破壞了，電路也就不能正常工作了。所以必須認識到地線非等電位體的嚴重性。

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

通過以上的分析，可以得出下面的結(jié)論：地線設計的核心就是減小地線的阻抗。

導體的阻抗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為導體的交流阻抗；L為導體的內(nèi)電感。

對于作為信號地線使用的導體，必須考慮交流電阻。因為，地線流過的信號電流一般是交變電流，而且頻率可以很高（與信號頻率同樣高）。導體的交流電阻比直流電阻大，這是因為交流電流在導體上產(chǎn)生趨膚效應的緣故。由于趨膚效應，電流流過的有效截面積減小，電阻增加。交流電阻值可以用下面的公式計算：

式中：r為導體的半徑，單位cm；f為流過導體的電流頻率，單位Hz；RDC為導體的直流阻抗。

如果導體的截面不是圓形，則用下式求r：

任何一段導體都存在電感，這種電感稱為內(nèi)電感，以區(qū)分于通常與環(huán)路面積有關的外電感。對于圓形截面導體，內(nèi)電感的計算公式如下：

式中：s為導體長度，單位m；d為導體直徑，單位m。

由上面分析，若想減小Z，就要減小RAC和L。同一導體在直流、低頻和高頻情況下所呈現(xiàn)的阻抗不同，而導體的電感同樣與導體半徑、長度以及信號頻率有關，所以在地線設計時應該根據(jù)不同頻率下的導體阻抗來選擇導體截面大小，尤其是高頻電路的地線，一定要短而粗。

2 接地地線引發(fā)的問題及其解決方法

接地不當引起的干擾包括地環(huán)路干擾問題和公共阻抗耦合，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)路問題

地環(huán)路干擾是一種較常見的干擾現(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個方面：

（1）在2個設備之間的地電壓驅(qū)動下，在電路1－互聯(lián)電纜－電路2－地線形成的環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成干擾。

（2）當處于互聯(lián)的設備處在較強的電磁場中，電磁場在設備、互聯(lián)線纜和地線形成的環(huán)路中會感應出環(huán)路電流，與原因1的過程一樣導致干擾。

通過上面的分析可以得出解決地環(huán)路干擾的兩個思路：一個是盡可能減小地線的阻抗，從而減小共模干擾電壓；另一個是盡可能增大地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當?shù)丨h(huán)路阻抗無限大時，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)路問題的思路，工程中實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)路后此干擾會自然消失。隔離變壓器正好就起到了這個作用，2個設備之間的信號傳輸通過磁場耦合進行，避免了電氣直接連接。

變壓器隔離的方法有一些缺點，不能傳輸直流，體積大，成本高。由于變壓器的初次級之間有寄生電容，因此高頻時的隔離效果不是很好。在圖2中設初次級之間的寄生電容是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：如果初次級之間的電容較小，則耦合電壓也較小。因此，要設法減小初次級間電容。減小初次級之間寄生電容的方法：在初次級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)動脈沖信號，則沒有寄生電容的問題，并且還能抑制強電的大電流快速通斷帶來的高du／dt及di／dt引起的電磁干擾問題，從而能夠獲得十分完善的隔離效果。

（3）共模扼流圈。電流流過地線的噪聲電壓作為一種共模電壓，在其電纜中流過的電流是共模電流。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2個或2個以上不同電路的電流流過公共阻抗時，就出現(xiàn)了共阻抗耦合。

在電源線和接地導體上傳播的干擾電流，通常都是通過共阻抗耦合進入敏感電路的。圖3為這種耦合的典型例子。地電流1和2都流過公共地阻抗。一個電路的地電位會受到另一個電路工作狀態(tài)的影響，就電路1來說，它的地電壓被流動在共地阻抗上的地電流2所調(diào)制。因此，一些噪聲信號從電路2通過共地阻抗耦合到電路l，即一個電路的地電位受另一個電路的地電流的調(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每個電路分別供電，或加解耦電路。

3 接地系統(tǒng)設計

在實際工程中接地方法有單點接地、多點接地和混合接地等種類。

（1）單點接地，即整個系統(tǒng)的地線接到公共地線的同一點的接地方式，按照應用方式的不同可再細分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。

圖3 公共阻抗耦合

由于電路之間存在公共阻抗，進而產(chǎn)生的公共阻抗耦合干擾十分嚴重，使得串聯(lián)單點接地并不實用。這時就需要并聯(lián)單點接地。但是，并聯(lián)單點接地需要的導線較多，增加了系統(tǒng)線路復雜度，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。首先對系統(tǒng)各電路模塊按照特性進行分類，按照強弱電分開、模擬電路和數(shù)字電路分開的原則，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。每個組內(nèi)采用串聯(lián)單點接地，獲取相對簡單的地線結(jié)構(gòu)，不同組的接地采用并聯(lián)單點接地，避免相互之間干擾。

圖4 單點串并聯(lián)混合接地

在實際的工程項目中，單點串并聯(lián)的應用很普遍。在正在進行的2MW電機試驗電源項目中，就是把電流傳感器電路、電機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。而對于控制電路，采用的是數(shù)字信號處理器（DSP），其工作電壓低，工作頻率高，對于此類高速數(shù)字電路，要和其他電路的地分開來；除此之外，電機勵磁回路、微繼電器驅(qū)動電路工作電壓高，電流變化大，極易產(chǎn)生干擾，必須要和其他電路的地線分開來。通過分類，同類之間串聯(lián)接地，不同類之間只是通過一點接到大地。

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

（3）混合接地。在單點接地的基礎上再通過一些電感或電容多點接地，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計方法。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際工程應用中系統(tǒng)地線設計中的一般設計準則，對于實際的系統(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設計的核心，就能設計出滿足系統(tǒng)要求的地線系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

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

[1]白同云，呂曉德.電磁兼容設計[M].北京：北京郵電大學出版社，2001.

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

[3]周志敏，紀愛華.電磁兼容技術：屏蔽、濾波、接地、浪涌、工程應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4]高攸綱.屏蔽與接地——電磁兼容技術與應用叢書[M].北京：北京郵電學院出版社，2004.

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