EMC接地的概念與分類

EMC接地的概念與分類鐵路信號(hào)設(shè)備地線干擾抑制方法的研究（一）2013-06-05 來(lái)源：電子元件技術(shù)網(wǎng)博文 作者：楊鵬 【導(dǎo)讀】本文是電子元件技術(shù)網(wǎng)網(wǎng)友原創(chuàng)博文鐵路信號(hào)設(shè)備地線干擾抑制方法的研究系列第一章，集中闡述了接地概念與分類。 鐵路信號(hào)設(shè)備地線干擾抑制方法的研究全文從電氣電子設(shè)備接地重要性與地線干擾形成機(jī)理入手，重點(diǎn)介紹電氣電子設(shè)備接地點(diǎn)與接地方式選擇、增加地環(huán)路阻抗、降低接地阻抗等方 法，來(lái)消除公共阻抗耦合、地環(huán)路等地線干擾，實(shí)現(xiàn)電氣電子設(shè)備良好的電磁兼容。最后，針對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)電磁騷擾源特性與耦合方式，成功地將地線干擾抑制方法應(yīng) 用于某鐵路信號(hào)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)中。全文第二章為：EMC地線干擾形成的機(jī)理1 引言電磁兼容是指在有限的空間、有限的時(shí)間、有限的頻譜資源條件下，各種電氣電子設(shè)備或系統(tǒng)可以共存，并 不致引起不允許的性能降低的共存狀態(tài)和能力?；蛘哒f(shuō)，設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能一起完成各自功能的共存狀態(tài)和能力，即該設(shè)備不會(huì)由于受到處于同一電磁環(huán)境 中其他設(shè)備的電磁發(fā)射而導(dǎo)致不允許的降級(jí)；也不會(huì)使同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備因受其電磁發(fā)射而導(dǎo)致不允許的降級(jí)1。隨著電子技術(shù)發(fā)展,芯片的體積越來(lái)越小，電路的工作頻率越來(lái)越快，器件的工作電壓越來(lái)越低，PCB的密度越來(lái)越大，導(dǎo)致電氣電子設(shè)備對(duì)電磁騷擾越來(lái) 越敏感。與此同時(shí)，電氣電子設(shè)備的數(shù)量及種類日益增多，使電磁環(huán)境變得越來(lái)越惡劣。因此，在這種日益復(fù)雜的電磁環(huán)境中，如何確保電氣電子設(shè)備的抗干擾性 能，減少相互間的電磁騷擾，即電磁兼容設(shè)計(jì)，已成為電子設(shè)備開(kāi)發(fā)中的最重要的工作內(nèi)容。在電氣電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。正確的接地，既能提高產(chǎn)品抑制電磁干擾的能力，又能減少產(chǎn)品對(duì)外的EMI發(fā)射；相反，不良的接地乃是 電磁干擾傳播主要途徑，甚至接地本身成為主要干擾源。有關(guān)資料顯示，90%的電磁兼容問(wèn)題是由于印制電路板的布線和接地不當(dāng)造成的1。本文闡述了接地概念與分類，簡(jiǎn)介了地線干擾形成的機(jī)理，重點(diǎn)介紹了在PCB設(shè)計(jì)中，通過(guò)適當(dāng)接地方法，規(guī)避地線干擾。2接地 接地是指將電路、設(shè)備、分系統(tǒng)與參考地連接，目的在于提供一個(gè)等電位點(diǎn)或面。接地必須有接地導(dǎo)體和參考地才能完成。參考地可以是大地，也可以是起大地作用的，有足夠面積的導(dǎo)體，譬如船舶或飛機(jī)殼體。理想的參考地是一個(gè)零電位、零阻抗的物理體。2.1 接地定義接地技術(shù)最早應(yīng)用在強(qiáng)電系統(tǒng)（電力系統(tǒng)、輸變電設(shè)備、電氣設(shè)備）中，為了設(shè)備遭雷擊而采取的保護(hù)性措施，目的把雷電產(chǎn)生的雷擊電流通過(guò)避雷針引入大 地，從而保護(hù)建筑物的作用。同時(shí)，將接地線與真正的大地（地球）連接，為電氣設(shè)備和電力設(shè)施提供漏電保護(hù)的放電通路，是保護(hù)人身的安全一種技術(shù)措施。隨著電子通信和其他數(shù)字領(lǐng)域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，接地已成為通信互連設(shè)備的基準(zhǔn)電位，以及高速信號(hào)的回流路徑?！暗鼐€”在物理教科書(shū)中定義為“地線就是電路中的電位參考點(diǎn)，它為系統(tǒng)中的所有電路提供一個(gè)電位基準(zhǔn)”1。此定義不符合實(shí)際情況，實(shí)際地線上的 電位并不是恒定的，如果用儀表測(cè)量一下地線上各點(diǎn)之間的電位，會(huì)發(fā)現(xiàn)地線上各點(diǎn)的電位可能相差很大2。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，正是這些地電位差才造成了電路工 作的異常，或者說(shuō)，導(dǎo)致電路出現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題。Henry給地線下了一個(gè)更加符合實(shí)際的定義，“地線是信號(hào)流回源的低阻抗路徑”。這個(gè)定義突出了地線中電流的流動(dòng)，按照這個(gè)定義，很容易理解地線 中電位差的產(chǎn)生原因。因?yàn)榈鼐€的阻抗并不會(huì)是零，當(dāng)一個(gè)電流通過(guò)該阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓降。因此，地線上的電位可以想象成如大海中的波浪一樣，此起彼伏， 某印制線路板的電位示意圖3，如下圖所示： 圖 1 印制線路板的地電位示意圖2.2 接地意義電子設(shè)備中的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”（安全地），一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”。接地就是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)電位基準(zhǔn)面之間建立“低阻抗”的導(dǎo)電通路。 “接大地”，就是以地球的電位作為基準(zhǔn)，并以大地作為零電位將金屬外殼、線路選定點(diǎn)等通過(guò)接地線、接地極組成的接地裝置與大地相接。由于大地的電容非常大，一般認(rèn)為大地的電動(dòng)勢(shì)為零電位?！跋到y(tǒng)基準(zhǔn)地”指以某個(gè)參考平面為基準(zhǔn)，譬如船舶外殼、金屬底座、機(jī)殼、粗銅線、PCB板的完整地平面等，并設(shè)該基準(zhǔn)導(dǎo)體電位為相對(duì)零電位，簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)地。此時(shí)所謂接地就是指線路選定點(diǎn)與基準(zhǔn)導(dǎo)體間的連接。系統(tǒng)基準(zhǔn)地不一定是大地相連，只是電路中的共同參考點(diǎn)，這點(diǎn)的電壓為0V，電路中其他各點(diǎn)的電壓高低都是以這一參考點(diǎn)為基準(zhǔn)。把系統(tǒng)基準(zhǔn)地與大地連接，往往是考慮提高電路工作的穩(wěn)定性、靜電泄放，保障操作人員的安全性，以及電磁兼容的屏蔽要求。（1）安全接地安全接地即將金屬機(jī)殼接大地。一是可防止機(jī)殼上積累電荷，產(chǎn)生靜電放電而危及設(shè)備和人身安全；二是當(dāng)設(shè)備的絕緣損壞而使機(jī)殼帶電時(shí)，促使電源的保護(hù)動(dòng)作而切斷電源，以便保護(hù)工作人員的安全。為了安全起見(jiàn)，電氣設(shè)備的機(jī)殼、底盤(pán)都應(yīng)接地，如下圖所示。 圖 2 機(jī)箱與接地在上圖（左）中，電源線與機(jī)箱之間的絕緣良好（阻抗很大），若機(jī)箱上感應(yīng)電壓很高，盡管機(jī)箱沒(méi)有接地，但由于高阻抗使流過(guò)人體的電流很小，所以觸及機(jī)箱時(shí)也不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。但是如果電源線與機(jī)箱之間的絕緣層損壞，使絕緣電阻降低，當(dāng)人觸及機(jī)箱時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致較大的是流流過(guò)人體，特別是電源線與機(jī)箱之間短路，阻抗為零，這時(shí)全部電流流過(guò)人體，造成人身傷害。若機(jī)殼實(shí)施了接地措施，當(dāng)發(fā)生絕緣崩潰或電力線觸及機(jī)殼時(shí)，會(huì)因接地使電力線上有大量電流流動(dòng)，而燒掉保險(xiǎn)絲或使觸發(fā)漏電保護(hù)動(dòng)作，確保人身安全，避免出現(xiàn)電擊的危險(xiǎn)，上圖右所示。（2）防雷接地當(dāng)設(shè)備遇雷擊時(shí)，不論是直接雷擊還是感應(yīng)雷擊，設(shè)備都將受到極大傷害。為防止雷擊而設(shè)置避雷針，以防雷擊時(shí)危及設(shè)備和人身安全。防雷接地，為雷擊電流提供了一條泄放電荷的路徑，如下圖（左）所示： 圖 3 防雷與防靜電接地在裝有浪涌抑制器的電子設(shè)備或儀器中，接地是很有必要的，否則無(wú)法為泄放浪涌能量提供低阻抗的路徑。對(duì)于許多靜電敏感的場(chǎng)合，接地還是釋放電荷的主要手段，如上圖（右）所示。上述兩種接地主要為安全考慮，均要直接接在大地上。（3）工作接地當(dāng)該基準(zhǔn)電位不與大地連接時(shí)，視為相對(duì)的零電位。這種相對(duì)的零電位會(huì)隨著外界電磁場(chǎng)的變化而變化，從而導(dǎo)致電路系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。當(dāng)該基準(zhǔn)電位與大地連接時(shí)，基準(zhǔn)電位視為大地的零電位，而不會(huì)隨著外界電