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来源：百度文库 编辑：偶看新闻 时间：2024/04/28 22:40:06
电磁兼容（ EMC ）的接地技术2009-12-28 22:42 摘要： 本文论述了电磁兼容的地线干扰产生的原理以及抑制地线干扰的各种接地技术。
关键词： 电磁兼容； 干扰特性； 抗扰度
中图分类号： TM645 文献标识码 ： A 文章编号：1003-0107 （2004） 09
1．前言
接地是电路或系统正常工作的基本技术要求之一，也是 EMC 性能高低之关键因素。线路接地是为泄放电荷或建立电路基准电平而设置的导线连接。在电子设备中，恰当良好的接地是抑制电磁噪声和提高抗扰度的重要方法；相反，不良的接地乃是电磁干扰传播主要途径，甚至接地本身成为主要干扰源。
2．电磁兼容的接地要求
a．接地面应是零电位，它作为设备 / 系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。
b．接地线、接地面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的宽度和厚度，接地线应短而粗、接地面的面积应尽可能大，以保证在所有频率（尤其是高频部分）上它的两边之间均呈现低阻抗。
c．良好的接地要求尽量减低多电路公共接地阻抗上所产生的干扰电压，同时还要尽量避免形成不必要的地回路。
d．数字信号地与模拟信号地分开设计，大电流信号地与逻辑小信号地分开设计。
3．电磁兼容的接地方式及各种接地方式的特点
接地方式有浮地、单点接地（包括：共用地线串联一点接地、独立地线并联一点接地）、多点接地和
3.1 浮地
浮地是指设备地线系统在电气上与壳体构件的接大地系统相互绝缘，一种情况是使接地系统上的电磁干扰就不会传导到设备。另一种情况是在有些电子设备中，为了防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路，有意使电路单元的信号线与设备机箱绝缘。采用浮地的设备、单元容易受空间耦合干扰，注意采用电磁屏蔽技术。
3.2 共用地线串联一点接地
从图 1—（b）可知：电路 1 、电路 2 、电路 3 各自到接地面的接地线长短不同（接地阻抗不同），各电路的接地点的电位均不为零且各不相同，且受其他电路电流影响。从 EMC 角度出发，这种接地方式是最不适用的。但由于该电路比较简单，用的场合仍然较多，当各电路的电平相差不大时可以使用。若各电路的电平相差很大，则不能使用，因为高电平电路将产生很大的地电流，形成大的地电位差并干扰到低电平电路。使用该接地方式时，要把低电平电路放在距接地点最近的地方。
3.3 独立地线并联一点接地
这种接地方式的优点是各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其它电路的影响。该接地方式的缺点：第一，需要多根地线，用起来比较麻烦。由于分别接地，势必会增加地线长度，从而增加了地线阻抗。这种接地方式会造成各地线相互间的耦合，且随着频率增加，地线阻抗、地线间的电感及电容耦合都会增大；第二，这种接地方式只适用于低频，不适用于高频。如果系统的工作频率很高，以致工作波长 λ =c/f 缩小到可与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度比拟时，就不能再用这种接地方式了。因为：当地线的长度接近于 λ /4 时，它就象一根终端短路的传输线，此时不仅起不到接地作用，而且地线将有很强的天线效应向外辐射干扰信号，所以一般要求地线长度不应超过信号波长的 1/20 。
3.4 多点接地
这种接地方式的优点是接地线较短，适用于高频情况，其缺点是形成各种地线回路，造成地环路干扰，这对设备内同时使用的具有较低频率的电路会产生不良影响。
3.5 混合接地
如果电路的工作频带很宽，在低频情况需采用单点接地，而在高频时又需采用多点接地，此时，可采用混合接地方式。由图 1 —（e）可见，在低频时，电容的阻抗较大，故电路为单点接地方式，但在高频时，电容阻抗较低，故电路成为两点接地方式，因此这种接地方式适用于工作于宽频带的电路。
总的来说，单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。一般情况，频率在 1MHz 以下采用单点接地方式；频率高于 10MHz 采用多点接地方式；频率在 1MHz~10MHz 之间，采用混合接地，如采用单点接地，其地线长度不得超过 0.05 λ (波长)。
4 ．地线干扰分析
由接地公共阻抗以及传输导线或金属机壳的天线效应等因素在地回路中形成共模干扰电压，该电压通过各种地回路感应到受害电路的输入端，而形成地回路干扰
4.1 接地公共阻抗产生的干扰
两个不同的接地点之间有一定的电位差，称为地电压，这是由于两接地点间总有一定的阻抗，地电流在该公共阻抗上产生了地电压，该电压直接加到电路上在为共模干扰电压。例如，如图 2 所示的接地回路，从直流电源或高频信号源流出的电流经接地面返回，由于接地面的阻抗非常低，在性能设计时往往不予考虑，但对电磁干扰而言，在回路中必须考虑接地面上阻抗的存在，因此，在图中所示的干扰回路和被干扰回路之间存在一个共有阻抗 Z i ，在该阻抗上所产生的电压 Ui=Z i I 1 +Z i I 2 ，对回路 2 而言 Z i I 1 是电磁干扰压降，而 Z i I 2 是对负载电压降的分压，由于 R L2 》 ∣ Z i ∣ ，因此，在一般情况下后者对负载电压降并无影响，仅是由 I 1 所引起的电磁干扰电压对负载起作用。
4.2 接地电流与地电压的形成 电子设备一般采用具有一定面积的铜皮面作为接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而金属接地两点之间总存在一定的阻抗，因而产生接地干扰电压。可见接地电流的存在是产生接地干扰的根源，而接地电流产生的原因主要有以下四种：
（1）由导电耦合而引起的接地电流：设备中的各级电路不可能总采用一点接地，在许多情况下需采用两点或多点接地，即通过两点或多点实现与接地面连接，因此形成接地回路，通过接地回路将流过接地电流，如图 3 所示。
（2）由电容耦合形成的接地电流：由于回路元件与接地面之间存在分布电容，通过分布电容形成接地回路，电路中的电流总会有部分电流泄漏到接地回路中，图 4 — a 表示导电耦合和电容耦合而形成的接地回路，并通过接地回路流过接地电流。图 4 — b 表示在阻抗元件的高电位和低电位两点上的分布电容所形成的接地回路，当该回路处于谐振状态时，接地电流将很大。
（3）由电磁耦合形成的感应地电流：当电路中的线圈靠近设备壳体时，壳体相当于只有一匝的二次线圈，它和一次线圈形成变压器耦合，机壳内因电磁感应将产生接地电流，而且不管线圈的位置如何，只要有变化磁通通过壳体，就会产生感应地电流。
（4）由金属导体的天线效应形成地电流：当有辐射电磁场照射到金属导体时，由于接收天线效应使导体产生感应电动势，如果金属体是箱体结构，那么由于电场作用，在平行的两个平面上将产生电位差，使箱体的接地电流流过，该金属箱体同回路相连时，就会形成有接地电流通过的电流回路。
5．抑制地线干扰的技术措施
5.1 地回路差模干扰的抑制方法
电子设备中的地线分布到设备内部的各级电路单元，它难免会与其他线路构成回路，如在不对称信号传输电路中，地线与信号线可构成回路；地线本身也可构成地回路。当某一交变磁场与这些环路交链时，回路中产生的感应电动势就是差模干扰。为减小地回路的差模干扰，就得减小地回路面积，最好在线路布局时避免构成地回路。切断地回路的最有效的方法是采用浮地、单点接地、采用差分平衡电路以及光电耦合器等。
5.2 地回路共模干扰的抑制方法
当感应的电磁干扰在回路上传输时，如果回路的阻抗完全对称时，则共模干扰就不会对电路引起干扰。但是，实际的回路真正达到完全对称是不可能的。由于阻抗的不平衡，在传输中共模干扰就会对电路造成干扰。减小地线共模干扰的主要措施有： a) 减小接地电阻； b) 减小地线分布电感； c) 使用共模电感。
6 . 结束语
电磁兼容的接地技术是电子设备电磁兼容设计的一个至为重要的不可忽视的内容。电子设备的干扰特性及抗干扰性能的好坏很大程度上都取决于其接地的合理性。电子设备要达到良好的性能指标，在产品设计阶段就必须结合产品结构布置、印刷电路板排版进行合理的地线设计。
关键词： 电磁兼容； 干扰特性； 抗扰度
中图分类号： TM645 文献标识码 ： A 文章编号：1003-0107 （2004） 09
1．前言
接地是电路或系统正常工作的基本技术要求之一，也是 EMC 性能高低之关键因素。线路接地是为泄放电荷或建立电路基准电平而设置的导线连接。在电子设备中，恰当良好的接地是抑制电磁噪声和提高抗扰度的重要方法；相反，不良的接地乃是电磁干扰传播主要途径，甚至接地本身成为主要干扰源。
2．电磁兼容的接地要求
a．接地面应是零电位，它作为设备 / 系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。
b．接地线、接地面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的宽度和厚度，接地线应短而粗、接地面的面积应尽可能大，以保证在所有频率（尤其是高频部分）上它的两边之间均呈现低阻抗。
c．良好的接地要求尽量减低多电路公共接地阻抗上所产生的干扰电压，同时还要尽量避免形成不必要的地回路。
d．数字信号地与模拟信号地分开设计，大电流信号地与逻辑小信号地分开设计。
3．电磁兼容的接地方式及各种接地方式的特点
接地方式有浮地、单点接地（包括：共用地线串联一点接地、独立地线并联一点接地）、多点接地和
3.1 浮地
浮地是指设备地线系统在电气上与壳体构件的接大地系统相互绝缘，一种情况是使接地系统上的电磁干扰就不会传导到设备。另一种情况是在有些电子设备中，为了防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路，有意使电路单元的信号线与设备机箱绝缘。采用浮地的设备、单元容易受空间耦合干扰，注意采用电磁屏蔽技术。
3.2 共用地线串联一点接地
从图 1—（b）可知：电路 1 、电路 2 、电路 3 各自到接地面的接地线长短不同（接地阻抗不同），各电路的接地点的电位均不为零且各不相同，且受其他电路电流影响。从 EMC 角度出发，这种接地方式是最不适用的。但由于该电路比较简单，用的场合仍然较多，当各电路的电平相差不大时可以使用。若各电路的电平相差很大，则不能使用，因为高电平电路将产生很大的地电流，形成大的地电位差并干扰到低电平电路。使用该接地方式时，要把低电平电路放在距接地点最近的地方。
3.3 独立地线并联一点接地
这种接地方式的优点是各电路的地电位只与本电路的地电流及地线阻抗有关，不受其它电路的影响。该接地方式的缺点：第一，需要多根地线，用起来比较麻烦。由于分别接地，势必会增加地线长度，从而增加了地线阻抗。这种接地方式会造成各地线相互间的耦合，且随着频率增加，地线阻抗、地线间的电感及电容耦合都会增大；第二，这种接地方式只适用于低频，不适用于高频。如果系统的工作频率很高，以致工作波长 λ =c/f 缩小到可与系统的接地平面的尺寸或接地引线的长度比拟时，就不能再用这种接地方式了。因为：当地线的长度接近于 λ /4 时，它就象一根终端短路的传输线，此时不仅起不到接地作用，而且地线将有很强的天线效应向外辐射干扰信号，所以一般要求地线长度不应超过信号波长的 1/20 。
3.4 多点接地
这种接地方式的优点是接地线较短，适用于高频情况，其缺点是形成各种地线回路，造成地环路干扰，这对设备内同时使用的具有较低频率的电路会产生不良影响。
3.5 混合接地
如果电路的工作频带很宽，在低频情况需采用单点接地，而在高频时又需采用多点接地，此时，可采用混合接地方式。由图 1 —（e）可见，在低频时，电容的阻抗较大，故电路为单点接地方式，但在高频时，电容阻抗较低，故电路成为两点接地方式，因此这种接地方式适用于工作于宽频带的电路。
总的来说，单点接地适用于低频，多点接地适用于高频。一般情况，频率在 1MHz 以下采用单点接地方式；频率高于 10MHz 采用多点接地方式；频率在 1MHz~10MHz 之间，采用混合接地，如采用单点接地，其地线长度不得超过 0.05 λ (波长)。
4 ．地线干扰分析
由接地公共阻抗以及传输导线或金属机壳的天线效应等因素在地回路中形成共模干扰电压，该电压通过各种地回路感应到受害电路的输入端，而形成地回路干扰
4.1 接地公共阻抗产生的干扰
两个不同的接地点之间有一定的电位差，称为地电压，这是由于两接地点间总有一定的阻抗，地电流在该公共阻抗上产生了地电压，该电压直接加到电路上在为共模干扰电压。例如，如图 2 所示的接地回路，从直流电源或高频信号源流出的电流经接地面返回，由于接地面的阻抗非常低，在性能设计时往往不予考虑，但对电磁干扰而言，在回路中必须考虑接地面上阻抗的存在，因此，在图中所示的干扰回路和被干扰回路之间存在一个共有阻抗 Z i ，在该阻抗上所产生的电压 Ui=Z i I 1 +Z i I 2 ，对回路 2 而言 Z i I 1 是电磁干扰压降，而 Z i I 2 是对负载电压降的分压，由于 R L2 》 ∣ Z i ∣ ，因此，在一般情况下后者对负载电压降并无影响，仅是由 I 1 所引起的电磁干扰电压对负载起作用。
4.2 接地电流与地电压的形成 电子设备一般采用具有一定面积的铜皮面作为接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而金属接地两点之间总存在一定的阻抗，因而产生接地干扰电压。可见接地电流的存在是产生接地干扰的根源，而接地电流产生的原因主要有以下四种：
（1）由导电耦合而引起的接地电流：设备中的各级电路不可能总采用一点接地，在许多情况下需采用两点或多点接地，即通过两点或多点实现与接地面连接，因此形成接地回路，通过接地回路将流过接地电流，如图 3 所示。
（2）由电容耦合形成的接地电流：由于回路元件与接地面之间存在分布电容，通过分布电容形成接地回路，电路中的电流总会有部分电流泄漏到接地回路中，图 4 — a 表示导电耦合和电容耦合而形成的接地回路，并通过接地回路流过接地电流。图 4 — b 表示在阻抗元件的高电位和低电位两点上的分布电容所形成的接地回路，当该回路处于谐振状态时，接地电流将很大。
（3）由电磁耦合形成的感应地电流：当电路中的线圈靠近设备壳体时，壳体相当于只有一匝的二次线圈，它和一次线圈形成变压器耦合，机壳内因电磁感应将产生接地电流，而且不管线圈的位置如何，只要有变化磁通通过壳体，就会产生感应地电流。
（4）由金属导体的天线效应形成地电流：当有辐射电磁场照射到金属导体时，由于接收天线效应使导体产生感应电动势，如果金属体是箱体结构，那么由于电场作用，在平行的两个平面上将产生电位差，使箱体的接地电流流过，该金属箱体同回路相连时，就会形成有接地电流通过的电流回路。
5．抑制地线干扰的技术措施
5.1 地回路差模干扰的抑制方法
电子设备中的地线分布到设备内部的各级电路单元，它难免会与其他线路构成回路，如在不对称信号传输电路中，地线与信号线可构成回路；地线本身也可构成地回路。当某一交变磁场与这些环路交链时，回路中产生的感应电动势就是差模干扰。为减小地回路的差模干扰，就得减小地回路面积，最好在线路布局时避免构成地回路。切断地回路的最有效的方法是采用浮地、单点接地、采用差分平衡电路以及光电耦合器等。
5.2 地回路共模干扰的抑制方法
当感应的电磁干扰在回路上传输时，如果回路的阻抗完全对称时，则共模干扰就不会对电路引起干扰。但是，实际的回路真正达到完全对称是不可能的。由于阻抗的不平衡，在传输中共模干扰就会对电路造成干扰。减小地线共模干扰的主要措施有： a) 减小接地电阻； b) 减小地线分布电感； c) 使用共模电感。
6 . 结束语
电磁兼容的接地技术是电子设备电磁兼容设计的一个至为重要的不可忽视的内容。电子设备的干扰特性及抗干扰性能的好坏很大程度上都取决于其接地的合理性。电子设备要达到良好的性能指标，在产品设计阶段就必须结合产品结构布置、印刷电路板排版进行合理的地线设计。
电磁兼容
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