接地技術(shù)對(duì)安防電子產(chǎn)品電磁兼容性的影響

陳俊　劉瑩　韓井玉　呂楊　韋靖　 公安部第一研究所

引言

隨著科技強(qiáng)警和平安城市的不斷推進(jìn)，公安信息化水平不斷提高，在公共安全領(lǐng)域應(yīng)用的安防電子裝備越來越多。在裝備前，安防電子產(chǎn)品需要對(duì)其電磁兼容性EMC進(jìn)行檢測(cè)，以達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。在檢測(cè)認(rèn)證中，發(fā)現(xiàn)很多受檢設(shè)備在進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)項(xiàng)目過程中出現(xiàn)電磁兼容性能降低或喪失等情況，多是沒能正確使用接地技術(shù)造成的。

在電磁兼容領(lǐng)域，接地是一種技術(shù)，它可以在電氣或電子設(shè)備與大地或低阻抗公共參考面間提供低阻通道，使得故障電流或電磁干擾信號(hào)旁路[1,2]。同時(shí)，由于地線的阻抗作用，也會(huì)引起接地干擾。在安防電子產(chǎn)品的電磁兼容測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)由于未能正確使用接地，使得設(shè)備的電磁兼容性受到影響，進(jìn)而影響產(chǎn)品的認(rèn)證測(cè)試進(jìn)度。因此綜合考慮接地，可以低成本提升安防電子產(chǎn)品的電磁兼容性能，更快更好地通過認(rèn)證測(cè)試。

一、接地技術(shù)的分類與應(yīng)用

接地中“地”的描述在不同應(yīng)用環(huán)境中有不同的定義。一般來說，接地泛指大地（Earth），嚴(yán)格意義上分為兩種，即電氣地和邏輯地。電氣地是指一個(gè)電阻非常低、電容量非常大、可吸收無限電荷能力的物體，并且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變，常與大地相連；邏輯地，又稱為“數(shù)字地”，在電子設(shè)備中，各級(jí)電路電流的傳輸、信息轉(zhuǎn)換需要一個(gè)參考電位，保證電路有統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，防止浮動(dòng)引起信號(hào)誤差[3,4]。邏輯地可與大地相連，也可不相連，通常是設(shè)備金屬外殼、底座、接地干線等。

工作狀態(tài)中的電子產(chǎn)品或者系統(tǒng)，包含了很多變量參數(shù)（如系統(tǒng)類型、外型、大小、方位、距離、頻率、極化方向等），因此電磁兼容技術(shù)中的接地并不是簡(jiǎn)單易行的技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，由于接地可能會(huì)引出地環(huán)路和公共阻抗等干擾，使得設(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容性能更差，因此正確合理地選擇接地方式，才是有效解決和避免產(chǎn)品或系統(tǒng)電磁兼容性出現(xiàn)不合格問題的關(guān)鍵因素。產(chǎn)品或系統(tǒng)的接地方式主要有浮動(dòng)接地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地[3]，每種接地方式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，下面分別進(jìn)行介紹。

（一）浮動(dòng)接地

浮動(dòng)接地是將電路或設(shè)備與公共接地或其他導(dǎo)電體在電氣上進(jìn)行隔離，從而避免接地系統(tǒng)中存在的干擾耦合到電路，如圖1所示。浮動(dòng)接地的效果取決于是否完全浮地，在工程中，要做到絕對(duì)隔離是很難的，且完全隔離有時(shí)會(huì)很危險(xiǎn)。設(shè)備不接地，會(huì)出現(xiàn)靜電積累，當(dāng)積累足夠大就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，這是破壞性很強(qiáng)的騷擾源。因此，除了為防止電路或設(shè)備周圍有大的干擾外，一般不采用此接地方式。

（二）單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地是將系統(tǒng)中的每一個(gè)子系統(tǒng)都接入同一個(gè)接地面上，如圖2所示。單點(diǎn)接地在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，且對(duì)于低頻簡(jiǎn)單電路系統(tǒng)，對(duì)防止各電路之間的干擾及回路干擾很有效。但對(duì)于高頻復(fù)雜電路系統(tǒng)，由于單點(diǎn)接地需要接很多根地線，且各地線之間互相耦合作用使得效果下降。

（三）多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地是指將系統(tǒng)中每一個(gè)接地點(diǎn)都直接用最短的地線接到接地平面上，有多個(gè)接地點(diǎn)，如圖3所示。多點(diǎn)接地在結(jié)構(gòu)上最簡(jiǎn)單，且對(duì)于高頻簡(jiǎn)單電路系統(tǒng)，由于接地線比較短，接地線之間的耦合作用及駐波會(huì)比較小，效果比較明顯。但對(duì)于低頻復(fù)雜電路系統(tǒng)，由于各接地點(diǎn)之間的電位不同，會(huì)引起地回路干擾使得接地效果下降。

（四）混合接地

從浮動(dòng)、單點(diǎn)和多點(diǎn)接地可以看出它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，混合接地就是利用它們的優(yōu)勢(shì)，在低頻時(shí)單點(diǎn)接地，高頻時(shí)多點(diǎn)接地，需要浮動(dòng)時(shí)接入浮動(dòng)接地，如圖4所示。

上面介紹了4種不同的接地方式，每種接地方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)不同情況選擇合適的接地方式。正確使用，可使接地系統(tǒng)兩點(diǎn)之間的電位與線路中任何功能部分的電位相比較，都可以忽略不計(jì)。相反，將使寄生電壓和電流耦合進(jìn)電路、組件或者設(shè)備中，使屏蔽很好的屏蔽裝置降低屏蔽效果，性能良好的濾波器不能起到濾波作用，產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾問題。

二、安防電子產(chǎn)品電磁兼容測(cè)試整改案例

隨著安防行業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品種類越來越多，應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，為了更好保證產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)安防電子產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容測(cè)試是必要的。在安防電子產(chǎn)品的電磁兼容檢測(cè)過程中會(huì)遇到電磁兼容測(cè)試不合格的情況，結(jié)合接地技術(shù)對(duì)通過式金屬探測(cè)門的靜電放電抗擾度試驗(yàn)和帶指紋核驗(yàn)終端的居民身份證閱讀機(jī)具輻射騷擾整改的案例分別進(jìn)行分析。

（一）通過式金屬探測(cè)門的靜電放電抗擾度試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB15210-2003《通過式金屬探測(cè)門通用技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，按照GB/T 17626.2-2006《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)》對(duì)某公司生產(chǎn)的通過式金屬探測(cè)門進(jìn)行靜電放電抗擾度試驗(yàn)[6]。試驗(yàn)中對(duì)人體安檢通道門裸露在外的金屬螺釘進(jìn)行接觸放電，放電點(diǎn)位如圖5所示，對(duì)人體安檢通道門的電子顯示屏和電源開關(guān)等進(jìn)行空氣放電。在對(duì)產(chǎn)品裸露在外的螺釘進(jìn)行±4kV接觸放電過程中，產(chǎn)品上端顯示系統(tǒng)不能正常顯示，按照通過式金屬探測(cè)門的標(biāo)準(zhǔn)要求，靜電放電抗擾度試驗(yàn)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)此產(chǎn)品情況進(jìn)行分析，由于產(chǎn)品外殼為塑料材質(zhì)，將設(shè)備連接在一起裸露在外面的金屬螺絲釘并未與設(shè)備交流電源的地進(jìn)行有效連接。因此在進(jìn)行接觸放電的靜電放電過程中，靜電槍發(fā)射出的電荷沒有流到大地路徑，而是通過金屬螺絲釘直接流向設(shè)備內(nèi)部，從而對(duì)設(shè)備主板產(chǎn)生干擾，出現(xiàn)顯示系統(tǒng)不能正常顯示的現(xiàn)象。

經(jīng)過上面的分析，對(duì)通過式金屬探測(cè)門的整體支撐點(diǎn)、電路板、外殼金屬連接螺絲釘分別提供分開的接地線，并與安全地進(jìn)行單點(diǎn)接地。整改完成后，對(duì)設(shè)備再進(jìn)行接觸放電的靜電放電干擾，試驗(yàn)中設(shè)備的顯示系統(tǒng)和功能處于正常工作狀態(tài)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證整改效果，將接觸放電的電壓調(diào)整到±8kV，試驗(yàn)中設(shè)備的顯示系統(tǒng)和功能處于正常工作狀態(tài)。

（二）居民身份證閱讀機(jī)具的輻射騷擾整改案例

根據(jù)CSP-V05-001:2013《社會(huì)公共安全產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施規(guī)則 居民身份證閱讀機(jī)具產(chǎn)品認(rèn)證規(guī)則》的要求，按照GB/T 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法》規(guī)定的限值和測(cè)量方法[6]對(duì)某公司生產(chǎn)的帶有指紋驗(yàn)證模塊的居民身份證閱讀機(jī)具進(jìn)行輻射騷擾測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，圖中有兩個(gè)頻點(diǎn)（244.97MHz、254.98MHz）測(cè)得值分別為66.8dBuV/m和59.0dBuV/m，超過A級(jí)騷擾限值。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論及傅立葉變化，輻射騷擾測(cè)試中窄帶脈沖騷擾的頻率一般是產(chǎn)品晶振頻率的倍頻，因此對(duì)超出A級(jí)限值的兩個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)頻點(diǎn)不是居民身份證閱讀機(jī)具工作頻率13.56MHz的倍頻，但兩個(gè)頻點(diǎn)之間的頻率差值接近為10MHz，恰好為指紋核驗(yàn)終端的晶振頻率。查看居民身份證閱讀機(jī)具和指紋核驗(yàn)終端的電路圖發(fā)現(xiàn)，在指紋核驗(yàn)終端與閱讀器主板連接的地線上連接了一個(gè)磁珠，此磁珠增加地環(huán)路的阻抗，使得居民身份證閱讀機(jī)具和指紋核驗(yàn)終端的地線之間形成電壓差，從而將指紋核驗(yàn)終端的干擾信號(hào)通過地線輻射出來，使得輻射騷擾測(cè)試結(jié)果不符合A限值要求。居民身份證閱讀機(jī)具與指紋核驗(yàn)終端之間連線的電路如圖7所示，圖中用橢圓形區(qū)域圈出地線上的磁珠L(zhǎng)B6。

根據(jù)上面的分析，將居民身份證閱讀機(jī)具與指紋核驗(yàn)終端之間連線的地線上的磁珠L(zhǎng)B6去掉，連接好設(shè)備后重新進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備可以符合B級(jí)限值要求，且整改前超出A級(jí)限值測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試值減少至少20dB。

三、結(jié)論

通過上面的分析可知，設(shè)備或系統(tǒng)的接地方式有很多種，每種接地方式都有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。同時(shí)，通過兩個(gè)實(shí)際的安防電子案例發(fā)現(xiàn)，地線的合理使用非常重要，為安防企業(yè)在今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)，可以更好地完成認(rèn)證檢測(cè)工作，同時(shí)使得安防電子產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中具有更好的性能穩(wěn)定性，從而保證人員和設(shè)備的安全。