电磁干扰(EMI)噪声抑制基础(2)

2.2接地•所谓“地”一般定义为电路或系统的零电位参考点。直流电压的零电位点或零电位面不一定为实际的大地（建筑地面），可以是设备的外壳或其他金属板线。•“接地”一般指电路或系统与“地”之间建立低阻通路，其中一点通常是系统的一个电气或电子元件，而另一点则是称之为“地”的参考点。例如当所说的系统组件是设备中的一个电路，则参考点就是设备的外壳或接地平面。•2.2.1接地平面的要求•1、接地平面应是零电位，它作为系统中各电路任何位置所有电信号的公共电位参考点。•2、理想的接地平面应是零电阻的实体，电流在接地平面中流过时应没有压降，即各接地点之间没有电位差，或者说各接地点间电压与线路中任何功能部分的电位比较均可忽略不计。•3、良好的接地平面与布线间将有大的分布电容，而平面本身的引线电感将很小，理论上它必须能吸收所有信号，而使设备稳定地工作，接地平面应采用低阻抗材料制成，并且有足够的长度、宽度和厚度，以保证在所有频率上它的两边之间均呈现低阻抗。用于安装固定式装备的接地平面应由整块铜板或铜网组成。•4、良好的接地平面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。•2.2.2安全接地与信号接地•电路和电设备的接地，按其作用可分为安全接地与信号接地。所谓安全接地就是将电器、电子设备的外壳利用低阻导体连至大地上，使人员触及外壳时不易发生电击危险。图2-8机壳带电的两种情况•例如，机壳通过杂散阻抗带电，或因绝缘击穿而带电，如图2-8所示。在图（a）中，U1为电子设备中电路的电压，Z1为电路与机壳间的杂散阻抗，Z2为机壳与地之间的杂散阻抗，U2为机壳与地之间的电压。U2是由机壳对地的阻抗Z2上的分压形成的，即式中U1和U2均为电压向量，当机壳与地绝缘，即Z2》Z1时，则U2=U1。如果U1足够大，人触及机壳时就会发生危险。所以，为了人身安全，机壳应接地，使Z2→0，从而使U2→0。图2-9交流配电电路（2—10）•又如，室内交流配线可采用如图2-9所示的接法。图中“火线”上接有保险丝，负载电流经“火线”至负载再经“中线”返回。还有一根线是安全地线，该线与设备机壳相连并与“中线”连接于一点。因而线上平时没有电流，所以没有电压降，与之相连的机壳都是地电位，只有发生故障，即绝缘被击穿时，安全地线上才会有电流。但该电流是瞬时的，因为保险丝或电流断路器在发生故障时会立即切断电路。•信号接地的目的是为信号电压提供一个零电位的参考点，对于电子设备，将它的底座或外壳接地，除了用于防止内部高压回路与外壳相连以保证安全外，更重要的是为了在电子设备内部提供一个作为电位基准的导体，以保证设备的工作稳定，这个导体称为接地面，设备的底座和外壳往往通过它来接地。该大面积导体相对大地的电位一旦出现不稳定，就会引起设备工作的不稳定，例如图2-10所示的电路，在放大器输入回路的导体和大地之间，由于寄生电容耦合而感应出干扰电压，如果将设备底座和机壳等大面积导体与大地连接，就会使之保持真正的零电位，这种措施对工作稳定和防止电场干扰有重要作用。图2-10设备外壳不接地时的干扰•2.2.3信号接地的接地方式•信号地线是指信号电路的地线或有信号电流流通的地线，交流电源的地线不能用作信号地线，因为一段电源地线的两点间会有数百微伏，甚至几伏的电压，这对低电平的信号电路来说是一个非常严重的干扰。信号地线的接线方式有共用地线串联一点接地、独立地线并联一点接地和独立地线并联多点接地等。如图2-11。图2-11信号地线的接地方式•1、共用地线串联一点接地•图2-12为一共用地线串联一点接地的示例。图中自点A到接地点G的一段地线为电路1、2、3的共用地线，AB段为电路2、3的共用地线。图2-12共用地线串联一点接地•设R1、R2、R3分别为接地点G至A点，AB段，BC段的地线的阻抗，I1、I2、I3分别为电路1、2、3的电流，则：•A点的电位为：•UA=（I1+I2+I3）R1•B点的电位为：•UB=（I1+I2+I3）R1+（I2+I3）R2•C点的电位为：•UC=（I1+I2+I3）R1+（I2+I3）R2+I3R3•由此可见，A、B、C点的电位不为零，且受到其它电路电流的影响，从防止噪声和抑制干扰的角度出发，这种接地方式是最不适用的。但由于比较简单，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，因为高电平电路将会产生很大的地电流，形成大的地电位差并干扰到低电平电路，因而不可使用。•使用串联一点接地方式时，要把低电平电路放在距接地点最近的地方，即图2-12中的A点，因为该点最接近地电位，受其它电路影响最小。•2、独立地线并联一点接地•这种接地方式也简称为单点接地，所谓单点接地是指在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点。其它各个需要接地的点都直接接到这一点上。如图2-13所示。如果系统包含多个机柜，则每个机柜的接地系统分别采用单点接地使机柜和电子线路的接地能够保持独立。各机柜接地点之间的互相连接仅在整个系统的单一参考点上实现。这样就使各机柜隔离开，以防止一个接地系统的环路电流影响其它的接地系统。图2-13独立地线的一点并联接地•在图2-13中，各电路分别用地线接于一个接地点G，显而易见，各电路的地电位分别为：•A点：UA=I1R1•B点：UB=I2R2•C点：UC=I3R3•因此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。但该接地方式存在下面两个缺点：•需要多根地线，用起来比较麻烦，且结构笨重。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；•这种接地方式不适用于高频。如果系统的工作频率很高，以至工作波长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，输入阻抗为无穷大，即相当于开路，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，因此这种接地方式只适用于低频。•3、多点接地•多点接地是指某一个系统中各个需要接地的点都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地线的长度最短，如图2-14所示，这里说的接地平面，可以是设备底座，也可以是贯通整个系统的接地线，在比较大的系统中还可以是设备的结构框架等。图2-14多点接地方式•在图2-14中，各电路的地线分别连至最近的低阻抗公共地，设每个电路的地线电阻及电感分别为R1、R2、R3和L1、L2、L3，每个电路的地线电流分别为I1、I2、I3，则各电路对地的电位差为：•U1=I1（R1+jωL1）•U2=I2（R2+jωL2）•U3=I3（R3+jωL3）•为了降低电路的地电位，每个电路的地线应尽可能缩短，以降低地线阻抗。但在高频时，由于集肤效应，高频电流只流经机壳表面，即使加大机壳厚度也不能降低阻抗。为了在高频时降低地线阻抗，通常要将地线和公共地镀银。在导体截面积相同的情况下，为了减小电阻，常用矩形截面导体做成地线带。•此种接地方式的优点是地线较短，适用于高频情况，其缺点是形成了各种地线回路，造成地回路干扰，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。•综上，单点接地适用于低频，多点接地适用于高频，一般来说，频率在1MHZ以下可采用一点接地方式；频率高于10MHZ应采用多点接地方式；频率在1MHZ~10MHZ之间，如用一点接地，其地线长度不得超过0.05λ（波长），否则应采用多点接地。•4、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，可以采用混合接地方式。混合接地系统在不同的频率呈现不同的接地结构，如图2-15所示。图2-15混合接地•图2-15（a）所示的是低频时单点接地，高频时多点接地的接地系统。这种接地系统用在要抗高频干扰的传输低频信号的屏蔽电缆上，由于传输低频信号，需要单点接地，而在高频时，电缆是多点接地的。•图2-15（b）所示的接地系统是低频时多点接地，而高频时单点接地。这种接地系统用的不是那么普遍，主要用在出于安全考虑，多个机箱需要接到安全地上而希望电路单点接地的场合。•2.3地回路干扰•2.3.1接地公共阻抗产生的干扰•两个不同的接地点之间存在一定的电位差，称为地电压。这是由于两接地点之间总有一定的阻抗，地电流流经接地公共阻抗，在其上产生了地电压，此地电压直接加到电路上形成共模干扰电压。例如，图2-16所示的接地回路，来自直流电源或者高频信号源的电流经接地面返回。由于接地面的公共阻抗非常小，所以在电路的性能设计时往往不予考虑。但是，对电磁干扰而言，在回路中必须考虑接地面阻抗的存在。图2-16公共接地阻抗产生的电磁干扰•因此，在图2-16中所示的干扰回路和被干扰回路之间存在一个公共阻抗Zi，该公共阻抗上存在的电压为Ui=U1+U2=ZiI1+ZiI2。对被干扰回路而言，ZiI1=U1是电磁干扰电压，而ZiI2=U2是对负载电压降的分压，由于RL2|Zi|，因此，一般情况下ZiI2对负载电压降的影响可以忽略不计，仅考虑I1所引起的电磁干扰电压对负载的作用。如果不考虑被干扰回路的电流I2在接地公共阻抗Zi上的作用，即令U2=0，则干扰回路(电路1)中的电流I1在接地公共阻抗Zi上产生干扰电压Ui=U1，此电压降使被干扰回路的负载RL2受到干扰，其干扰电压为:iL2n1g1L1g2L2ZRUU(RR)(RR)（2-11）由此可知，被干扰回路的负载RL2受到的干扰是电路1干扰源U1的函数。•2.3.2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金属板作为接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而金属接地板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几种。•①由导电耦合而引起的接地电流，在许多情况下采用两点接地或多点接地，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2-17所示。图2-17导电耦合的地电流回路图•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，通过分布电容可形成接地回路，电路中的电流总会有部分电流泄漏到接地回路中，如图2-18所示。(a)表示导电藕合和电容藕合而形成的接地回路，并通过接地回路流过接地电流。(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。(a)导电与电容耦合(b)电容耦合图2-18电容耦合接地回路•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。它和一次线圈之间形成变压器耦合，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。•2.3.3地回路干扰•从上述分析可以看出，由接地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会形成干扰电流与电压，该干扰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。•图2-19（a)给出地环路干扰的实际电路，共模干扰电压Ui，使回路ABCDEFGHA及ABCIJFGHA上流动干扰电流，由于这两个回路的阻抗不同，因此，该干扰电流在放大器输入端将会产生一干扰电压，地回路干扰将以电路结构及传输线类型的不同而有不同的性质。图2-19(b)为地回路干扰的等效电路。（a）地回路干扰（b）地回路干扰的等效电路图2-19地回路干扰示意图为了说明地回路干扰的大小，定义地回路耦合系数GLC为：GLC=用dB表示有：GLCdB=20（2-12）式中，Ui为地回路中共模干扰电压，Uo为受害放大器输入端的干扰电压。图2-19（b）表示以差分放大器作为负载的简化等效电路，由该等效电路可得放大器输入端的地回路干扰电压为：（2-13）因此，GLC==（2-14）式中，r1、r2为信号源内阻与传输线阻抗