您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 《电子产品电磁兼容和安规设计》第7章PPT课件
第7章接地技术为什么要地线各种接地方法地环路问题与解决方法公共阻抗耦合问题与解决方法电缆屏蔽层的接地接地系统信号接地方式并联单点接地串联单点接地混合接地多点接地单点接地悬浮地接地对电路的工作情况影响很大,因此在设计电路时,有多种接地策略,通常分为单点接地、多点接地和混合接地等种类。单点接地:所有电路的地线接到公共地线的同一点,进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。多点接地:所有电路的地线接到公共地线的不同点,一般电路就近接地混合接地:在地线系统内使用电感、电容连接,利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性,使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。交流电源电缆中的地线一般仅可用做安全地,不能用做信号地,两个电源接地点之间的电压通常有数百mV,小信号电路在这种条件下根本无法工作。信号地定义:信号电流流回信号源的低阻抗路径浮地浮地的目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地的效果取决于是否能做到完全的浮地隔离。当两输入端对地平衡时,即为平衡差分器件。在设备之间利用差分平衡电路进行通信或控制时,就不需要两设备共地。两设备之间的地电位差原理上对差分平衡电路的工作没有任何影响。单点接地系统单点接地只有一个接地点,该点作为接地参考点,所有接地线均直接接到一点上,如下图所示。多个设备的参考地通过导线连接到同一点上后统一接地。在整个接地系统内,若所有设备都只与本接地系统内的设备通信或各设备与其他设备没有实质的联系的话,该接地方式显示出较大的优越性。单点接地系统中,各种设备的接地线均有一段共同的导线。无论该导线部分的结构和材料如何,导线均有一定的阻抗。上图就可以等效为下图所示。单点接地123123串联单点接地优点:简单缺点:公共阻抗耦合并联单点接地优点:无公共阻抗耦合缺点:接地线过多I1I2I3I1I2I3ABCABCR1R2R3单点接地有两种类型,一种是串联单点接地,另一种是并联单点接地。串联单点接地中,许多电路之间有公共阻抗,因此相互之间由公共阻抗耦合产生的干扰十分严重。串联单点接地的干扰:A点的电位是:VA=(I1+I2+I3)R1A点的电位是:VB=(I1+I2+I3)R1+(I2+I3)R2C点的电位是:VC=(I1+I2+I3)R1+(I2+I3)R2+I3R3从公式中可以看出,A、B、C各点的电位是受电路工作电流影响的,随各电路的地线电流而变化。尤其是C点的电位,十分不稳定。这种接地方式虽然有很大的问题,却是实际中最常见的,因为它十分简单。但在大功率和小功率电路混合的系统中,切忌使用,因为大功率电路中的地线电流会影响小功率电路的正常工作。另外,最敏感的电路要放在A点,这点电位是最稳定的。另外,从前面讨论的放大器情况知道,功率输出级要放在A点,前置放大器放在B、C点。解决这个问题的方法是并联单点接地。但是,并联单点接地需要较多的导线,实践中可以采用串联、并联混合接地。串联单点、并联单点混合接地模拟电路1模拟电路2模拟电路3数字逻辑控制电路数字信息处理电路继电器驱动电路马达驱动电路串联单点接地结构由于简单而受到设计人员的青睐,但它所带来的公共阻抗耦合干扰问题又经常让人头疼。并联单点接地结构能够彻底消除电路之间的影响,但是繁杂的接地线实在让人头疼。一个折衷的方法:将电路按照特性分组,相互之间不易发生干扰的电路放在同一组,相互之间容易发生干扰的电路放在不同的组。每个组内采用串联单点接地,获得最简单的地线结构,不同组的接地采用并联单点接地,避免相互之间干扰。这个方法的关键:绝不要使功率相差很大的电路或噪声电平相差很大的电路共用一段地线。线路板上的地线噪声模拟数字前面讨论的地线设计原则对于线路板也是适合的。这就是在设计线路板时,要将模拟地、数字地以及大功率驱动电路的地分开的依据。这些不同的地仅能在通过一点连接起来。多点接地对于高频信号来说,为了降低地线阻抗,一般均采用多点接地方式,如下图所示。为了降低电路的地电位,每个电路的地线应尽可能缩短,以便降低地线阻抗。在导体截面相同的情况下,矩形截面导体的高频性能比圆形截面导体要好。为了减少电阻,常用矩形截面导体作地线带,通常还在地线和地线排上镀银。一般来说,频率在1MHz以下时可采用单点接地方式;当频率高于10MHz时,应采用多点接地方式;当频率在1MHz~10MHz之间时,则应视具体情况而定。多点接地R1R2R3L1L2L3电路1电路2电路3地线阻抗一定保持很小,避免公共阻抗耦合镀银(减小表面电阻)良好搭接(减小地线阻抗)宽金属板(减小电感)为了减小地线电感,在高频电路和数字电路中经常使用多点接地。在多点接地系统中,每个电路就近接到低阻抗的地线面上,如机箱。电路的接地线要尽量短,以减小电感。在频率很高的系统中,通常接地线要控制在几毫米的范围内。如前所述,多点接地时容易产生公共阻抗耦合问题。在低频的场合,通过单点接地可以解决这个问题。但在高频时,只能通过减小地线阻抗(减小公共阻抗)来解决。由于趋肤效应,电流仅在导体表面流动,因此增加导体的厚度并不能减小导体的电阻。在导体表面镀银能够降低导体的电阻。通常1MHz以下时,可以用单点接地;10MHz以上时,可以用多点接地,在1MHz和10MHz之间时,可如果最长的接地线不超过波长的1/20,可以用单点接地,否则用多点接地。混合接地~Vs地电流Rs~Vs安全接地Rs安全接地地环路电流混合接地系统在不同的频率呈现不同的接地结构。上图是一个系统工作在低频状态,为了避免公共阻抗耦合,需要系统串联单点接地。但这个系统暴露在高频强电场中,因此屏蔽电缆需要双端接地(在电缆屏蔽一章中会看到:屏蔽高频需要多点接地)。图中所示的接地结构解决了这个问题。对于电缆中传输的低频信号,系统是单点接地的,而对于电缆屏蔽层中感应的高频干扰信号,系统是多点接地的。接地电容的容量一般在10nF以下,取决于需要接地的频率。要注意电容的谐振问题,在谐振点电容的容抗最小。安全地220V0V+++++安全接地技术安全接地的目的是为了使设备与大地有一条低阻抗的电流通路,以保证人身安全和设施的安全,接地是否有效主要取决于接地电阻,阻值越小越好。常见的接地体有接地桩、接地网和地下水管等,通常把它们分为自然接地体和人工接地体两大类型。埋设在地下的水管、输送气体和液体的金属管道以及建筑物埋设在地下或水泥中的金属结构、电缆外皮等都属自然接地体。自然接地体与大地的接触面积比较大,长度也较长,杂散电阻较小。对于大接地电流系统,由于要求接地电阻值较低,采用人工接地体。人工接地体是人工埋入地下的金属导体,常用的形式有垂直埋入地下的钢管、角铁和平放的圆钢、扁钢,还有环形、圆板形和方板形的金属导体。防雷接地技术目前,雷电已成为用电设备的主要杀手之一。雷电灾害可以通过防雷接地等技术手段进行防御。正确的防雷接地不仅是保证设备的安全性的重要措施,也是保护人身安全的一项非常重要的措施。雷击概率及其电流数据如下表所示。一个有效的防雷系统,包括三部分:直击雷保护、一点接地网络和暂态浪涌电压抑制。三者缺一不可,而正确的连接和接地是其中最关键的因素。等电位连接是防雷接地的重点。设备安全接地任何高压电气设备及电子设备的机壳、底座均需要安全接地,以避免高电压直接接触外壳或避免由于内部绝缘损坏造成漏电打火使机壳带电,否则人体触及机壳就会触电。而我国设备上用电电压220V(单相)或380V(三相),当电源频率为50Hz~60Hz时,对人体有最严重的触电危害,容易引起人体触电死亡。为了保证安全,应将在正常情况下把带电的金属外壳与接地体连接,这样,当人体接触带电外壳时,大部分电流从接地电阻旁路流入大地。地线引发干扰问题的原因V=IR地线电压地线是等电位的假设不成立电流走最小阻抗路径我们并不知道地电流的确切路径地电流失去控制地线不是等电位体:欧姆定律指出,电流流过一个电阻时,就要在电阻上产生电压。我们用作地线的导体都是有一定阻抗的,实际上,设计不当的地线的阻抗相当大,这在后面讨论。因此地线电流流过地线时,就会在地线上产生电压。我们在设计电路时,往往将地线作为所有电路的公共地线,因此地线上的电流成份很多,电压也很杂乱,这就是地线噪声电压。地线噪声电压的严重性:地线噪声意味着地线并不是我们做设计时假设的:可以作为电位参考点的等电位体,实际的地线上各点的电位是不相同的。这样,我们设计电路的假设(前提)就被破坏了,电路也就不能正常工作了。这就是地线造成电磁干扰现象的实质。地线电流路径不确定:地线电流遵守电流的一般规律,走阻抗最小的路径。对于频率较低的电流,这条路径比较容易确定,就是电阻最小的路径,电阻与导体的截面积、长度有关。但是对于频率较高的电流,确定地线电流的路径并不容易,实际的地线电流往往并不流过你所设计的地线。电流失去控制,就会产生一些莫名其妙的问题。地线设计的核心:减小地线的阻抗地线问题-公共阻抗耦合电路1电路2地电流1地电流2公共地阻抗V~~~改进1改进2当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时,就发生了公共阻抗耦合。我们在放大器中,级与级之间的一种耦合方式是“阻容”耦合方式,这就是一种利用公共阻抗进行信号耦合的应用。在这里,上一级的输出与下一级的输入共用一个阻抗。由于地线就是信号的回流线,因此当两个电路共用一段地线时,彼此也会相互影响。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响,即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制,另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。对于两个共用电源的电路也存在这个问题。解决的办法是对每个电路分别供电,或加解耦电路。放大器级间公共地线耦合问题:图中的放大器前后级之间由于共用了一段地线,结果,后级放大器的信号耦合进了前级的输入端,如果满足一定的相位关系,就形成了正反馈,造成放大器自激。解决办法:可以有两个解决办法,一个是将电源的位置改一下,使它靠近后级放大器(功率较大),这样,后级较大的地线电流就不会经过前级的地线了(将这个结构与前面的串联单点接地结构对比一下,加深理解)。另一个办法是后级放大器单独通过一根地线连接到电源,这实际是改成了并联单点接地结构。说明:有一个概念要清楚,这就是放大器(或类似电路)的电源电流(经过地线)使放大器输出功率的源泉,放大器的实质是用小信号来对直流电源调制,得到功率较大的信号。因此,共用直流电源的路径上的公共阻抗都会造成耦合干扰。导线的阻抗Z=RAC+jLL1H/m=1/(frr)1/2RAC=0.076rf1/2RDCr电流深度0.37II趋肤效应导体的阻抗由两部分组成,一部分是电阻成份,另一部分是电感成份。电阻成份:对于作为信号地线使用的导体,必须考虑交流电阻。因为,地线流过的信号电流一般是交变电流,而且频率可以很高(与信号频率同样高)。导体的交流电阻比直流电阻大,这是因为交流电流在导体上产生趋肤效应的缘故。由于趋肤效应,电流流过的有效截面积减小,电阻增加。•RAC=0.076rf1/2RDC•r的单位是cm,f的单位是Hz。如果导体的截面不是圆形,则用下式求r:r=截面周长(cm)/2电感成份:任何一段导体都存在电感,这种电感称为内电感,以区分于通常所称的,与环路面积有关的外电感。内电感的计算公式如下:对于园形截面导体:L=0.2s[ln(4s/d)-1](H)式中:s=导体长度(m),d=导体截面的直径(m)对于金属条或板:L=0.2s[ln(2s/W)+0.5+0.2W/s](H)式中:s=导体长度(m),W=导体宽度(m),宽度是厚度的10倍以上。若s/W4,则公式简化为:L=0.2sln(2s/W)(H)导线的阻抗频率Hzd=0.65cm10cm1md=0.27cm10cm1md=0.06cm10cm1md=0.04cm10cm1m10Hz51.45173273.28m5.29m52.9m13.3m133m1k4297.14m6328.91m5.34m53.9m14m144m100k42.
本文标题:《电子产品电磁兼容和安规设计》第7章PPT课件
链接地址:https://www.777doc.com/doc-64047 .html