电磁兼容设计中接地技术的探讨

吕士斌，梁雪松

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

在实际工程应用中许多电磁干扰问题都是由于不合理的地线造成的[1]。地线设计作为电磁兼容性设计中十分重要的一环，如不在产品设计阶段或者系统构思时期就进行充分考虑和设计，到了系统调试的最后阶段往往会遇到一些莫名其妙的电磁干扰问题。这些问题大多时候很难解决，甚至会使整个系统方案或者产品结构形式发生重大改变，影响产品研发周期。所以为了提高对接地的认识，充分认识到接地技术在电磁兼容性设计中的重要性，有必要对接地、接地设计进行讨论，设计出合理有效的地线，以保证产品满足电磁兼容性标准的要求。

1 地 线

1.1 地线的分类

根据接地目的不同，接地线分为安全地、交流地、直流地、机壳地、屏蔽地、信号地、数字地、模拟地和防雷地等。而对于接地的目的，从电压方面考虑：提供一个等电位体；从电流的方面考虑：提供一个电流通路。所以，连接任何一根地线时都要想清楚其作用。对于信号地来说，在电气工程师看来，地线是电位参考点；对于电磁兼容性（EMC）工程师，地线是信号电流流回信号源的低阻抗路径。

1.2 地线引发干扰问题的本质

地线干扰问题是许多人感到困惑的问题。根据上面的阐述，地线是信号电流流回信号源的低阻抗路径。这是反映了地线真实情况的定义。根据这个定义，用如下分析来揭示地线引发干扰问题的本质：

（1）地线中有电流流过，当电流流过有限阻抗时，必然会导致压降。实际工程中用作地线的导体都是有一定阻抗的，而且设计不当的地线其阻抗还相当大。因此地线电流流过地线时，就会在地线上产生电压[2]。因此地线不是一个等电位体。

（2）地线非等电位体，作为电位参考点的等电位体，在实际系统中地线上各点电位不相同，于是设计电路的前提就被破坏了，电路也就不能正常工作了。所以必须认识到地线非等电位体的严重性。

（3）电流总是选择阻抗最小的路径，地线电流也是如此。在一个系统中，对于频率较低的电流，地电流的信号回路相对容易确定，就是电阻最小的路径，此路径与系统和电路设计路径基本一致，不会出现大的偏差。但是对于频率很高的电流，由于印制板中过孔、交互在一起的导线以及产品结构件各种寄生电容和杂散电感的存在，地线电流的路径并不容易。这就导致实际的地线电流往往并不流过所设计的地线，这就使地线电流路径不确定，此时如果出现电磁干扰问题，由于不知道地线电流的真实路径，也就很难找到解决方案了。

通过以上的分析，可以得出下面的结论：地线设计的核心就是减小地线的阻抗。

导体的阻抗Z由两部分组成，一部分是电阻成份，另一部分是电感成份，即：

式中：RAC为导体的交流阻抗；L为导体的内电感。

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。交流电阻值可以用下面的公式计算：

式中：r为导体的半径，单位cm；f为流过导体的电流频率，单位Hz；RDC为导体的直流阻抗。

如果导体的截面不是圆形，则用下式求r：

任何一段导体都存在电感，这种电感称为内电感，以区分于通常与环路面积有关的外电感。对于圆形截面导体，内电感的计算公式如下：

式中：s为导体长度，单位m；d为导体直径，单位m。

由上面分析，若想减小Z，就要减小RAC和L。同一导体在直流、低频和高频情况下所呈现的阻抗不同，而导体的电感同样与导体半径、长度以及信号频率有关，所以在地线设计时应该根据不同频率下的导体阻抗来选择导体截面大小，尤其是高频电路的地线，一定要短而粗。

2 接地地线引发的问题及其解决方法

接地不当引起的干扰包括地环路干扰问题和公共阻抗耦合，下面分别详述其产生的具体原因和解决方法。

2.1 地环路问题

地环路干扰是一种较常见的干扰现象，其产生的内在原因是地环路电流的存在，如图1所示。

图1 地环路干扰

地环路形成的原因包括以下2个方面：

（1）在2个设备之间的地电压驱动下，在电路1－互联电缆－电路2－地线形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。

（2）当处于互联的设备处在较强的电磁场中，电磁场在设备、互联线缆和地线形成的环路中会感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰。

通过上面的分析可以得出解决地环路干扰的两个思路：一个是尽可能减小地线的阻抗，从而减小共模干扰电压；另一个是尽可能增大地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当地环路阻抗无限大时，就等同于断路，即消除了地环路。根据上面阐述的两种解决地环路问题的思路，工程中实用的方法是采用隔离变压器、光耦合、增加共模扼流圈等方法。

（1）隔离变压器。由电磁兼容三要素知道，切断地环路后此干扰会自然消失。隔离变压器正好就起到了这个作用，2个设备之间的信号传输通过磁场耦合进行，避免了电气直接连接。

变压器隔离的方法有一些缺点，不能传输直流，体积大，成本高。由于变压器的初次级之间有寄生电容，因此高频时的隔离效果不是很好。在图2中设初次级之间的寄生电容是Cp，RL上的噪声电压为：

图2 隔离变压器寄生电容

由式（5）可以看到：如果初次级之间的电容较小，则耦合电压也较小。因此，要设法减小初次级间电容。减小初次级之间寄生电容的方法：在初次级之间加屏蔽层可以减小寄生电容。屏蔽层的构造是用铜箔或铝箔绕一匝，但不能形成短路环（可以在搭接处垫一片绝缘材料），经过良好屏蔽的变压器能够工作到1MHz[3]。

（2）光耦隔离器。光耦器件的寄生电容为2pF左右，因此能够在很高的频率起到隔离作用。在一些强弱电共同存在的系统中，如大功率变流器系统使用光纤传输驱动脉冲信号，则没有寄生电容的问题，并且还能抑制强电的大电流快速通断带来的高du／dt及di／dt引起的电磁干扰问题，从而能够获得十分完善的隔离效果。

（3）共模扼流圈。电流流过地线的噪声电压作为一种共模电压，在其电缆中流过的电流是共模电流。因此可以采用在电缆上绕制共模扼流圈的方法增加共模电流的感性阻抗，以抑制地环路电流。

2.2 公共阻抗耦合

当2个或2个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现了共阻抗耦合。

在电源线和接地导体上传播的干扰电流，通常都是通过共阻抗耦合进入敏感电路的。图3为这种耦合的典型例子。地电流1和2都流过公共地阻抗。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响，就电路1来说，它的地电压被流动在共地阻抗上的地电流2所调制。因此，一些噪声信号从电路2通过共地阻抗耦合到电路l，即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制。在控制系统中，共阻抗耦合比较多，常用的解决办法是对每个电路分别供电，或加解耦电路。

3 接地系统设计

在实际工程中接地方法有单点接地、多点接地和混合接地等种类。

（1）单点接地，即整个系统的地线接到公共地线的同一点的接地方式，按照应用方式的不同可再细分为串联单点接地和并联单点接地。

图3 公共阻抗耦合

由于电路之间存在公共阻抗，进而产生的公共阻抗耦合干扰十分严重，使得串联单点接地并不实用。这时就需要并联单点接地。但是，并联单点接地需要的导线较多，增加了系统线路复杂度，所以工程中一般采用串联、并联混合接地的方法，如图4所示。首先对系统各电路模块按照特性进行分类，按照强弱电分开、模拟电路和数字电路分开的原则，把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，获取相对简单的地线结构，不同组的接地采用并联单点接地，避免相互之间干扰。

图4 单点串并联混合接地

在实际的工程项目中，单点串并联的应用很普遍。在正在进行的2MW电机试验电源项目中，就是把电流传感器电路、电机温度传感器电路和水冷却系统电路等模拟电路的地串联起来。而对于控制电路，采用的是数字信号处理器（DSP），其工作电压低，工作频率高，对于此类高速数字电路，要和其他电路的地分开来；除此之外，电机励磁回路、微继电器驱动电路工作电压高，电流变化大，极易产生干扰，必须要和其他电路的地线分开来。通过分类，同类之间串联接地，不同类之间只是通过一点接到大地。

（2）多点接地。在高频电路和数字电路中，由于寄生电感的存在，会使电流路径很不明确。为了减小地线电感，电路的接地线要尽量短，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上。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才能达到系统的地线设计要求[4]。

（3）混合接地。在单点接地的基础上再通过一些电感或电容多点接地，利用电感、电容器件在不同频率下具有不同阻抗的特性，使得地线系统在不同的频率下呈现出不同的接地结构，以保证电流的低阻抗回流路径，这就是混合接地的设计方法。它能很好地适用于工作在混合频率下的系统。

以上只是给出了在实际工程应用中系统地线设计中的一般设计准则，对于实际的系统，需要根据具体的情况灵活选用接地方式。但是只要抓住上面阐述的地线设计的核心，就能设计出满足系统要求的地线系统。

4 结束语

随着电子设备系统性能的不断提高，结构日益复杂和紧凑，功率密度更大，产品研发周期更短，使得电磁兼容设计更加重要和急迫。由于电磁兼容设计涉及到系统整体布局、电路、屏蔽、接地与线缆敷设等诸多方面，涉及范围广，解决难度大[5]。在实际工作中还需要综合使用屏蔽、滤波等技术措施，统筹考虑形成产品电磁兼容设计的规范，以保证良好的电磁兼容性。

[1]白同云，吕晓德.电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[2]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.

[3]周志敏，纪爱华.电磁兼容技术：屏蔽、滤波、接地、浪涌、工程应用[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4]高攸纲.屏蔽与接地——电磁兼容技术与应用丛书[M].北京：北京邮电学院出版社，2004.

[5]杨继深.电磁兼容技术之产品研发与认证[M].北京：电子工业出版社，2006.