接地技术对安防电子产品电磁兼容性的影响

陈俊　刘莹　韩井玉　吕杨　韦靖　 公安部第一研究所

引言

随着科技强警和平安城市的不断推进，公安信息化水平不断提高，在公共安全领域应用的安防电子装备越来越多。在装备前，安防电子产品需要对其电磁兼容性EMC进行检测，以达到相应标准规定的要求。在检测认证中，发现很多受检设备在进行相应试验项目过程中出现电磁兼容性能降低或丧失等情况，多是没能正确使用接地技术造成的。

在电磁兼容领域，接地是一种技术，它可以在电气或电子设备与大地或低阻抗公共参考面间提供低阻通道，使得故障电流或电磁干扰信号旁路[1,2]。同时，由于地线的阻抗作用，也会引起接地干扰。在安防电子产品的电磁兼容测试时发现由于未能正确使用接地，使得设备的电磁兼容性受到影响，进而影响产品的认证测试进度。因此综合考虑接地，可以低成本提升安防电子产品的电磁兼容性能，更快更好地通过认证测试。

一、接地技术的分类与应用

接地中“地”的描述在不同应用环境中有不同的定义。一般来说，接地泛指大地（Earth），严格意义上分为两种，即电气地和逻辑地。电气地是指一个电阻非常低、电容量非常大、可吸收无限电荷能力的物体，并且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变，常与大地相连；逻辑地，又称为“数字地”，在电子设备中，各级电路电流的传输、信息转换需要一个参考电位，保证电路有统一的基准电位，防止浮动引起信号误差[3,4]。逻辑地可与大地相连，也可不相连，通常是设备金属外壳、底座、接地干线等。

工作状态中的电子产品或者系统，包含了很多变量参数（如系统类型、外型、大小、方位、距离、频率、极化方向等），因此电磁兼容技术中的接地并不是简单易行的技术。实际应用中，由于接地可能会引出地环路和公共阻抗等干扰，使得设备或系统电磁兼容性能更差，因此正确合理地选择接地方式，才是有效解决和避免产品或系统电磁兼容性出现不合格问题的关键因素。产品或系统的接地方式主要有浮动接地、单点接地、多点接地和混合接地[3]，每种接地方式都有自己的优缺点，下面分别进行介绍。

（一）浮动接地

浮动接地是将电路或设备与公共接地或其他导电体在电气上进行隔离，从而避免接地系统中存在的干扰耦合到电路，如图1所示。浮动接地的效果取决于是否完全浮地，在工程中，要做到绝对隔离是很难的，且完全隔离有时会很危险。设备不接地，会出现静电积累，当积累足够大就会产生放电现象，这是破坏性很强的骚扰源。因此，除了为防止电路或设备周围有大的干扰外，一般不采用此接地方式。

（二）单点接地

单点接地是将系统中的每一个子系统都接入同一个接地面上，如图2所示。单点接地在结构上比较简单，且对于低频简单电路系统，对防止各电路之间的干扰及回路干扰很有效。但对于高频复杂电路系统，由于单点接地需要接很多根地线，且各地线之间互相耦合作用使得效果下降。

（三）多点接地

多点接地是指将系统中每一个接地点都直接用最短的地线接到接地平面上，有多个接地点，如图3所示。多点接地在结构上最简单，且对于高频简单电路系统，由于接地线比较短，接地线之间的耦合作用及驻波会比较小，效果比较明显。但对于低频复杂电路系统，由于各接地点之间的电位不同，会引起地回路干扰使得接地效果下降。

（四）混合接地

从浮动、单点和多点接地可以看出它们各有优缺点，混合接地就是利用它们的优势，在低频时单点接地，高频时多点接地，需要浮动时接入浮动接地，如图4所示。

上面介绍了4种不同的接地方式，每种接地方式都有各自的优缺点，在实际电子产品的设计过程中可以根据不同情况选择合适的接地方式。正确使用，可使接地系统两点之间的电位与线路中任何功能部分的电位相比较，都可以忽略不计。相反，将使寄生电压和电流耦合进电路、组件或者设备中，使屏蔽很好的屏蔽装置降低屏蔽效果，性能良好的滤波器不能起到滤波作用，产生严重的电磁干扰问题。

二、安防电子产品电磁兼容测试整改案例

随着安防行业的不断发展，产品种类越来越多，应用环境越来越复杂，为了更好保证产品的质量，对安防电子产品进行电磁兼容测试是必要的。在安防电子产品的电磁兼容检测过程中会遇到电磁兼容测试不合格的情况，结合接地技术对通过式金属探测门的静电放电抗扰度试验和带指纹核验终端的居民身份证阅读机具辐射骚扰整改的案例分别进行分析。

（一）通过式金属探测门的静电放电抗扰度试验

根据国家标准GB15210-2003《通过式金属探测门通用技术规范》中的规定，按照GB/T 17626.2-2006《电磁兼容 试验和测量技术静电放电抗扰度试验》对某公司生产的通过式金属探测门进行静电放电抗扰度试验[6]。试验中对人体安检通道门裸露在外的金属螺钉进行接触放电，放电点位如图5所示，对人体安检通道门的电子显示屏和电源开关等进行空气放电。在对产品裸露在外的螺钉进行±4kV接触放电过程中，产品上端显示系统不能正常显示，按照通过式金属探测门的标准要求，静电放电抗扰度试验不符合国家标准要求。

根据此产品情况进行分析，由于产品外壳为塑料材质，将设备连接在一起裸露在外面的金属螺丝钉并未与设备交流电源的地进行有效连接。因此在进行接触放电的静电放电过程中，静电枪发射出的电荷没有流到大地路径，而是通过金属螺丝钉直接流向设备内部，从而对设备主板产生干扰，出现显示系统不能正常显示的现象。

经过上面的分析，对通过式金属探测门的整体支撑点、电路板、外壳金属连接螺丝钉分别提供分开的接地线，并与安全地进行单点接地。整改完成后，对设备再进行接触放电的静电放电干扰，试验中设备的显示系统和功能处于正常工作状态。为了进一步验证整改效果，将接触放电的电压调整到±8kV，试验中设备的显示系统和功能处于正常工作状态。

（二）居民身份证阅读机具的辐射骚扰整改案例

根据CSP-V05-001:2013《社会公共安全产品认证实施规则 居民身份证阅读机具产品认证规则》的要求，按照GB/T 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》规定的限值和测量方法[6]对某公司生产的带有指纹验证模块的居民身份证阅读机具进行辐射骚扰测试。测试结果如图6所示，图中有两个频点（244.97MHz、254.98MHz）测得值分别为66.8dBuV/m和59.0dBuV/m，超过A级骚扰限值。

根据电磁场理论及傅立叶变化，辐射骚扰测试中窄带脉冲骚扰的频率一般是产品晶振频率的倍频，因此对超出A级限值的两个频点进行计算分析，发现两个频点不是居民身份证阅读机具工作频率13.56MHz的倍频，但两个频点之间的频率差值接近为10MHz，恰好为指纹核验终端的晶振频率。查看居民身份证阅读机具和指纹核验终端的电路图发现，在指纹核验终端与阅读器主板连接的地线上连接了一个磁珠，此磁珠增加地环路的阻抗，使得居民身份证阅读机具和指纹核验终端的地线之间形成电压差，从而将指纹核验终端的干扰信号通过地线辐射出来，使得辐射骚扰测试结果不符合A限值要求。居民身份证阅读机具与指纹核验终端之间连线的电路如图7所示，图中用椭圆形区域圈出地线上的磁珠LB6。

根据上面的分析，将居民身份证阅读机具与指纹核验终端之间连线的地线上的磁珠LB6去掉，连接好设备后重新进行测试，测试结果如图8所示。从图中可以发现设备可以符合B级限值要求，且整改前超出A级限值测试点的测试值减少至少20dB。

三、结论

通过上面的分析可知，设备或系统的接地方式有很多种，每种接地方式都有优缺点，在实际产品的设计过程中，可根据实际需求进行选择。同时，通过两个实际的安防电子案例发现，地线的合理使用非常重要，为安防企业在今后的产品设计提供一定指导，可以更好地完成认证检测工作，同时使得安防电子产品在实际使用过程中具有更好的性能稳定性，从而保证人员和设备的安全。