EMC中的两种接地技术

郭亚红

(漯河职业技术学院,河南漯河 462002)

EMC中的两种接地技术

郭亚红

(漯河职业技术学院,河南漯河 462002)

电磁兼容接地设计有单点接地和多点接地2种基本方法,低频电路中要求用单点接地,高频电路中用多点接地,用多点接地设备如果不能通过EFT/B测试,可以尝试单点接地方法。实验证明,对某些高频电路完全可以用单点接地方法满足EMC要求。

接地技术;EMC;EFT/B

1 EMC接地技术

接地技术是一种成本最低、在EMC(电磁兼容)技术中比较可行的技术。通常,应用良好的接地技术可以解决50%以上的EMC问题[1]。当然接地技术本身是融入到屏蔽和滤波技术中的,因而它又是一种相对复杂的技术[2]。

在设计产品时,必须明确接地方法,而不能随意使用,可以在单点和多点接地技术这2种基本接地方法中任选一种。通用的经验法则是,工作频率小于1 MHz的低频电路中,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用单点接地;当信号工作频率大于 10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,因而采用多点接地[3-5];当工作频率为1～10 MHz时,如果最长的走线或接地引线线长小于波长的1/20,才可以用单点接地,否则需用多点接地[6]。

2 案例介绍

某产品结构如图1所示,由于工作于高频(20 MHz),所以设计为多点接地。

在进行电源端口为±2 kV、信号端口为±1 kV的电快速瞬变脉冲群(EFT/B)测试时发现,当 P1,P2,P3同时接地时,测试均不能通过;当P1,P2接地,而P3不接地时,电源口与信号电缆1的EFT/B测试可以通过,但是信号电缆2测试不能通过;当P1,P3接地,而P2不接地时,电源口与信号电缆2的 EFT/B测试可以通过,但是信号电缆1测试不能通过;当P2,P3接地,而P1不接地时,信号电缆1与信号电缆2测试能通过,但电源口测试不能通过[7]。

从以上结果看,无论用哪种多点接地方式均不能让所有端口的EFT/B测试通过。

图1 产品结构Fig.1 Product structure

3 原因分析

EFT/B由电路中的感性负载断开时产生。其特点不是单个脉冲,而是一连串的脉冲,单个脉冲波形前沿上升时间tr可达5 ns,半宽T可达50 ns,这就注定了脉冲群干扰具有极其丰富的谐波成分。幅度较大的谐波频率至少可以达到1/(πtr),即可以到达60 MHz左右[8]。电源线、EU T(被测设备)、信号线与参考接地板之间均有寄生电容存在。这些寄生电容的存在给 EFT/B干扰提供高频的注入路径[9]。因此,试验时 EFT/B干扰电流会以共模的形式通过各种寄生电容注入到电路的各个部位,对电路产生较大影响。

试验原理图如图2所示。

图2 试验原理图Fig.2 Test schematic

图2中,EFT为干扰源,干扰源分别施加在电源口、信号电缆1与信号电缆2上;C1,C2是 EU T电源输入口的 Y电容;C3,C4是信号电缆对参考地的分布电容;P1,P2,P3是3个接地点;顶层PCB板(印刷电路板)与底层 PCB板通过排针互相连接。Z1-Zn表示信号排针的阻抗;Zg1表示地排针的阻抗;Zg2表示P2,P3之间走线的阻抗。

EFT/B干扰造成设备失效的机理是因为干扰信号对设备线路电容充电,在上面的能量积累到一定程度之后,引起线路乃至系统出错[10]。电容充电过程也就是 EFT/B干扰的共模电流流过 EU T的过程[10],流过EU T的共模电流的大小和时间直接决定了EFT/B试验结果。

图2中的箭头线表示实验时共模电流的流向,由此可见,在 EFT/B干扰源的远端接地会促进EFT/B共模电流流过 EU T内部电路,当共模电流流过内部电路时,电流流经的阻抗是决定干扰影响的关键。如果阻抗大,则会有较大的压降产生,即EU T会受到较大的干扰,阻抗较小则反之[11]。本产品中,PCB板之间通过排针互连,显然高频下阻抗较大(一般一个PCB板上的接插件,有520μH的分布电感;一个双列直插的24引脚集成电路插座,引入4～18μH的分布电感)。3个接地之间通过较窄的PCB走线互连,阻抗也较大。因此导致该产品EFT/B测试不能通过。

4 改进措施

1)将多点接地改成单点接地,即图2中的 P2,P3仅接电缆的屏蔽层,取消参考地的接地线,只保留P1接地。这样可以减小共模电流流过 EU T内部电路。

2)用一块金属片将 P1,P2,P3连接在一起,让金属片尽量有少的过孔、缝隙,而且保证任何2点间的长宽比小于3(一般认为等电位连接的可靠方式是让任何2点间的导线连接部分的长宽比小于5[9],这里取长宽比小于3),这样能有效减小阻抗,当共模电流流过时,压降较小。

经过改进后,再进行EFT/B测试,则顺利通过。

5 结 语

对高频电路的 EMC设计,如果多点接地设备不能通过EFT/B测试,则可以尝试单点接地,对一些设备来说,做到连接各接地点的金属片尽量完整,同时保证任何2点间的长宽比小于一定数值,改为单点接地后能满足EMC要求。

[1]郭亚红.集成电路中抑制电磁干扰的布线措施[J].河北工业科技,2010,27(1):46-48.

[2]吕林强.电磁兼容中的接地技术[J].煤炭技术,2009(2):43-44.

[3]吴冬燕.电磁兼容检测与优化[J].电子测量技术,2010,33(3):9-12.

[4]张立伟.电线电缆在电磁兼容方面的设计要点[J].电气技术,2010(6):81-84.

[5]王玉峰,邹积岩,廖敏夫.二次回路中电快速瞬变脉冲群骚扰的研究[J].电力系统自动化,2007,31(16):79-82.

[6]李艳春,生一华.电磁兼容接地和抑制干扰研究[J].山西电力,2009(3):57-59.

[7]朱 军,冯 飞,吴清源.浅析仪器设备电磁兼容设计与测试[J].仪器仪表用户,2010,17(5):73-75.

[8]许 粮.电子设计中电磁兼容设计问题的研究[J].赣南师范学院学报,2009(3):65-67.

[9]王守三.设备和系统安装的电磁兼容技术、技巧和工艺[M].北京:机械工业出版社,2008.

[10]张青山,赵万章,张雪峰.电磁兼容与系统可靠性设计[J].吉林大学学报(信息科学版),2009,27(3):229-234.

[11]王宇翔.电子产品的电磁兼容性设计与实用经验[J].电子产品可靠性与环境试验,2010,28(4):52-55.

Case analysis of EMC grounding technology

GUO Ya-hong
(Luohe Vocational and Technical College,Luohe Henan 462002,China)

The EMC grounding design consists of single-point grounding and multi-point grounding.Low-frequency circuits require single-point grounding,while multi-point grounding is usually used for equipments of high-frequency circuits.However,when the equipment can not pass the EFT/B test,single-point grounding can be used instead.Experiments prove that some high-frequency circuits can use single-point grounding to meet the EMC requirements.

grounding technology;EMC;EFT/B

TM15

A

1008-1534(2011)04-0270-02

2011-03-03;

2011-04-06

责任编辑:李 穆

郭亚红(1966-),男,河南漯河人,副教授,主要从事电磁兼容技术方面的研究。