接地對(duì)電源端口端子騷擾電壓測(cè)試的影響分析

（深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局工業(yè)品檢測(cè)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(shí)，這些線路和元器件除了產(chǎn)生必需的有用信號(hào)外，還會(huì)產(chǎn)生一些非有意的騷擾信號(hào)。這些騷擾信號(hào)會(huì)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?，?duì)同一電網(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(cè)試就是對(duì)這部分傳導(dǎo)干擾進(jìn)行檢測(cè)，該項(xiàng)目屬于電磁兼容檢測(cè)中的連續(xù)騷擾檢測(cè)項(xiàng)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(jī)殼或金屬件通過導(dǎo)線與電路的基準(zhǔn)電位相連。接地效果對(duì)電源端口端子騷擾電壓的測(cè)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(diǎn)或外導(dǎo)電部分經(jīng)由導(dǎo)體與基準(zhǔn)電位相連。這個(gè)基準(zhǔn)電位不一定是大地。通常接地有三個(gè)目的：

1）為各單元提供一個(gè)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(shí)現(xiàn)，按用途可分為保護(hù)接地、工作接地、防雷接地等。按形式可分為浮地、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。浮地將產(chǎn)品與公共接地平面進(jìn)行電隔離，以減小進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。單點(diǎn)接地只有一個(gè)共有接地點(diǎn)。由于每一個(gè)電路單元都在同一點(diǎn)接地，因此單點(diǎn)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(shí)，由于接地阻抗較大，電路上會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓，接地效果不好。多點(diǎn)接地是指產(chǎn)品中各個(gè)接地點(diǎn)直接接到距離它最近的地平面上，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于高頻數(shù)字電路，但地環(huán)路過多會(huì)使電路更容易受到外界電路的干擾。

2 接地點(diǎn)位置對(duì)端子騷擾電壓測(cè)試的影響

在端子騷擾電壓的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，EUT（被測(cè)設(shè)備）的接地方式對(duì)測(cè)試結(jié)果有重要影響，甚至?xí)绊懡Y(jié)果的判定。EUT對(duì)AMN（人工電源網(wǎng)絡(luò)）的接地方式可以選擇單點(diǎn)接地或者多點(diǎn)接地，其對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響已經(jīng)獲得驗(yàn)證[3]。接下來將對(duì)EUT的接地位置對(duì)端子騷擾電壓測(cè)試的影響進(jìn)行研究分析。標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)桌上，按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)布置。如圖1所示。

圖1 不同接地點(diǎn)位置的端子騷擾電壓試驗(yàn)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(gè)點(diǎn)，AB=BC=CD=DE=20cm。將A、B、C、D、E點(diǎn)分別與EUT上的接地點(diǎn)用接地線相連接，測(cè)試這5種情況下的端子騷擾電壓。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同接地點(diǎn)位置的端子騷擾電壓測(cè)試結(jié)果

從表1的測(cè)試結(jié)果可知，接地點(diǎn)選在A點(diǎn)時(shí)，測(cè)得的騷擾電壓較小，選在E點(diǎn)時(shí)，騷擾電壓較大。從A點(diǎn)到E點(diǎn)，騷擾電壓大致是增加的趨勢(shì)。原因在于，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線形成了一個(gè)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(shí)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(shí)會(huì)通過外殼和電纜產(chǎn)生輻射騷擾，這些騷擾會(huì)在上述環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而增大騷擾電壓。測(cè)試原理如圖2所示。

圖2 接地點(diǎn)位置對(duì)端子騷擾電壓測(cè)試的影響原理圖

當(dāng)接地點(diǎn)選在A點(diǎn)時(shí)，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(shí)測(cè)得的騷擾電壓最小。當(dāng)接地點(diǎn)選在E點(diǎn)時(shí)，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(cè)得的騷擾電壓也較大。這說明接地點(diǎn)位置的選擇對(duì)端子騷擾電壓的測(cè)試結(jié)果具有重要影響。接地點(diǎn)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(cè)得的騷擾電壓就越小。

3 接地線與電源線間距對(duì)端子騷擾電壓測(cè)試的影響

接下來對(duì)接地線與電源線間距對(duì)端子騷擾電壓測(cè)試的影響進(jìn)行分析。標(biāo)準(zhǔn)要求EUT接地線應(yīng)當(dāng)與電源線保持長度相同，平行于電源線，且間距不超過10cm進(jìn)行布置[4]。為了便于分析，在AMN上選擇A、B、C、D、E共5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。A點(diǎn)到電源線O點(diǎn)距離為5cm，相鄰兩點(diǎn)之間的間距為5cm，即OA=AB=BC=CD=DE=5cm。試驗(yàn)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(yàn)布置圖

將AMN上的A、B、C、D、E點(diǎn)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(cè)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(cè)試結(jié)果

從表2的數(shù)據(jù)可知，在同一個(gè)頻率，A點(diǎn)騷擾電壓往往較低，E點(diǎn)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(duì)端子騷擾電壓測(cè)試的影響原理圖

當(dāng)接地點(diǎn)選在A點(diǎn)時(shí)，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(duì)輻射騷擾產(chǎn)生的感應(yīng)電流最小，因此測(cè)得的端子騷擾電壓較小。當(dāng)接地點(diǎn)選在E點(diǎn)時(shí)，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(cè)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(duì)稱接地方式的探索

由于端子騷擾電壓測(cè)試時(shí)單根接地線容易形成環(huán)路，因此考慮將EUT與AMN進(jìn)行對(duì)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(duì)稱分布，且這三根線保持相互平行且處于同一平面。試驗(yàn)布置如圖5所示。

圖5 對(duì)稱接地方式測(cè)試布置圖

測(cè)試時(shí)，EUT、接地線、參考接地平板、AMN和電源線會(huì)形成閉合環(huán)路，該環(huán)路會(huì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。電流的方向可以用右手定則進(jìn)行判定，即右手平展放入磁場(chǎng)中，若磁力線垂直進(jìn)入手心，大拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)方向，則四指所指方向?yàn)閷?dǎo)線中感應(yīng)電流的方向。測(cè)試原理如圖6所示。

圖6 對(duì)稱接地方式測(cè)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(cè)得的端子騷擾電壓應(yīng)該可以降低。測(cè)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(duì)稱接地線的端子騷擾電壓測(cè)試結(jié)果

將表2與表3的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以看出，大部分情況下，對(duì)稱接地比非對(duì)稱接地時(shí)端子騷擾電壓更低。這也說明對(duì)稱接地一定程度上是可以優(yōu)化騷擾電壓測(cè)試結(jié)果的。只是在少部分頻率，存在騷擾電壓略高于非對(duì)稱接地的情況。如圖7所示?？v坐標(biāo)是非對(duì)稱接地與對(duì)稱接地時(shí)的騷擾電壓差值，用百分?jǐn)?shù)表示，橫坐標(biāo)是6個(gè)測(cè)試頻率點(diǎn)。

圖7 非對(duì)稱接地與對(duì)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(gè)頻率上，在非對(duì)稱接地情況下，即采用單根接地線平行布置時(shí)，測(cè)得的端子騷擾電壓比對(duì)稱接地時(shí)的電壓通常要大。非對(duì)稱接地比對(duì)稱接地時(shí)騷擾電壓最多可以高出20%。換句話說，用兩根接地線對(duì)稱布置時(shí)，測(cè)得的騷擾電壓通常更低，偏差大致在-4%～20%之間。只有在個(gè)別頻率上對(duì)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(biāo)準(zhǔn)騷擾源，產(chǎn)生的輻射是瞬態(tài)變化的。另一個(gè)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(gè)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(cè)試的不確定性。

5 結(jié)論

根據(jù)端子騷擾電壓的測(cè)試原理，從接地點(diǎn)位置和接地線間距兩個(gè)方面，對(duì)端子騷擾電壓測(cè)試中接地的影響進(jìn)行了分析研究。在此基礎(chǔ)上，提出了一種對(duì)稱接地思路，即對(duì)EUT用兩根地線平行于電源線對(duì)稱接地，以減小騷擾電壓。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種對(duì)稱接地方式通常比原有非對(duì)稱接地方式具有更低的騷擾電壓。目前標(biāo)準(zhǔn)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(duì)接地點(diǎn)位置、接地線間距和數(shù)量等更詳細(xì)的規(guī)定，因此檢測(cè)人員必須注意接地方式對(duì)端子騷擾電壓測(cè)試存在的潛在影響，盡量選擇對(duì)測(cè)試結(jié)果影響更小的接地方式，以提高試驗(yàn)的可重復(fù)性。

[1]朱文立.電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對(duì)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(jì)與測(cè)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(duì)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(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范.第2-1部分:無線電騷擾和抗擾度測(cè)量方法傳導(dǎo)騷擾測(cè)量[S].