1、第4章 电磁干扰三大抑制技术,接地技术地线和地线干扰抑制技术 电磁屏蔽技术 电磁干扰滤波技术,第4章（1） 地线干扰与接地技术,为什么要地线 地环路问题与解决方法 公共阻抗耦合问题与解决方法 各种接地方法 电缆屏蔽层的接地,一、接地的含义大地接大地的含义以地球的电位为基准，并以大地为零电位，把电子设备的金属外壳、线路选定点等通过接地线、接地极等组成的装置与大地相连接系统基准地：简称系统地指信号回路的基准导体（电子设备通常以金属底座、机壳、屏蔽罩、或组铜线、铜带等作为基准导体），并设该基准导体为相对零电位，但不是大地零电位。,接地平面流过电流产生的等位线,理想的基准导体是一个零电位、零阻抗的物理
2、实体 理想的接地面可以为系统中的任何位置的信号提供公共的电位参考点（但不存在）,地线电位示意图, 2mV,200mV,2mV 10mV,10mV 20mV,20mV 100mV,100mV 200mV,二、接地的目的1：为了安全，安全地,设备接地的主要目的：为了安全 1、若机箱没有接地，当电源线与机箱之间的绝缘良好（阻抗很大）时，尽管机箱上的感应电压可能很高，但是人触及机箱时也不会发生危险，因为流过人体的电流很小。 2、如果电源线与机箱之间的绝缘层损坏，使绝缘电阻降低，当人触及机箱时，则会导致较大的电流流过人体，造成人身伤害。最坏的情况是电源线与机箱之间短路，这时全部电流流过人体。 3、若机箱
3、接地，当电源线与机箱短路时，会烧断保险或导致漏电保护动作。,4、接地还能为雷击电流提供一条泄放路径，当设施或设备中装有浪涌抑制器时，接地是必要的，否则无法泄放浪涌能量。这时，不仅要接地，而且还要“接好地”，也就是，接地的阻抗还必须很低。 对于许多静电敏感的场合，接地还是泄放电荷的主要手段。 思考题：安装了交流滤波器的机箱电位为110V，这是否会造成人身伤害，为什么？,安全地：保护接地,220V,0V,+,+,+,+,+,定义：信号电流流回信号源的低阻抗路径,二、接地的目的2：信号地为信号电压提一个稳定零电位参考点，称为信号地或系统地,传统定义：地线就是电路中的电位参考点，它为系统中的所有电路提
4、供一个电位基准。在从事电路设计的人员范围内，如果谁提出这样一个问题：什么是地线，地线起什么作用？马上会引起同事的嘲笑。因为电路接地实在是再自然不过的事情了。定义也在教科书中不知陈述过多少遍。,新定义：地线为信号流回源的低阻抗路径如上所述，传统定义仅给出了地线应该具有的等电位状态，并没有反映真实地线的情况。因此用这个定义无法分析实际的电磁兼容问题。这个定义突出了电流的流动。当电流流过有限阻抗时，必然会导致电压降，因此这个定义反映了实际地线上的电位情况。 思考题：在分析、解决电磁兼容问题时，确定实际的地线电流路径十分重要。但你所设计的地线往往并不是实际的地线电流路径，也就是，并不是真正的地线，这是
5、为什么？,（3）基本的接地方式 单点接地：串联单点接地、并联单点接地 多点接地：设备中的个接地垫就近直接接到最近的接地平面上 浮地：指设备地线系统在电气上与大地绝缘，这样可以减小地电流引起的电磁干扰,地线引发干扰问题的原因,V = I R,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,1、地线不是等电位体：地线的导体都是有一定阻抗的，设计不当的地线的阻抗相当大。当地线电流流过地线时，就会在地线上产生电压。公共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。 2、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
6、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。假设（前提）就被破坏，电路就不能正常工作了。这就是地线造成电磁干扰现象的实质。,地线引发干扰问题的原因,3、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。 4、地线设计的核心：减小地线的阻抗,导线的阻抗,Z = RAC + jL,L 1H/m, = 1 / ( f r r)1/2,RAC= 0
7、.076r f1/2 RDC,r,电流,深度,0.37I,I,趋肤效应,导体的阻抗由两部分组成：电阻成份和电感成份,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。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 = 0.076 r f1/2 RDC 上式中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,导体的阻抗由两部分组成：电阻成份和电感成份,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
8、。内电感的计算公式如下： 对于园形截面导体： L = 0.2 sln (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 = 0.2 sln (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/W 4，则公式简化为： L = 0.2 s ln (2s/W) (H),导线的阻抗,1 导体的阻抗与频率关系很大：从表中可以看出，频率高时的阻抗与频率低时的阻抗完全不同，高频时的阻抗远高于低频时的阻抗。低频时阻抗低的导体，高频时阻抗不一定低。 例如：10
9、Hz条件下，1米长的，d=0.65cm的导线，阻抗为517，10厘米长的，d=0.06cm的导线，阻抗为5.29m，两者相差将近10倍。而在50MHz 的条件下，前者的阻抗为356，而后者的阻抗为35.7。两者的阻抗还是相差10倍，但是比值完全倒过来了！ 结论：用万用表测量出来的导体电阻值是不能用作导体的阻抗值的。这在实际工程中，是一个常见的错误。,2 导体的阻抗低频时与截面尺寸关系大，高频时关系小：从表中可见：同样长度地导线，低频时，由于截面的尺寸不同，阻抗相差很大，而高频时相差很小。这是因为，阻抗电阻和感抗两部分组成，频率较低时，感抗很小，电阻起主导作用，电阻与导线的截面尺寸关系很大。频率
10、较高时，感抗起主导作用，而导线的电感与导线的截面尺寸关系不大。 例如：10Hz条件下，1米长的，d=0.65cm的导线，阻抗为517，1米长的，d=0.06cm的导线，阻抗为52.9m，两者相差将近100倍。而在50MHz 的条件下，前者的阻抗为356，而后者的阻抗为500。两者的阻抗相差不到2倍！ 结论：用作高频地线的导体，导线的粗细与地线效果关系不大。工程中常见的错误是，使用很粗，但却很长的地线，增加了施工困难，增加了成本，却没有必要。,金属条与导线的阻抗比较,0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,S / W,金属条阻抗/导线阻抗,当
11、地线很短时，使用金属片可以大大降低阻抗。但是当金属条的长度超过宽度很大时，金属条与导线相比优势不是很大。一般在工程中，s/W不要超过5，最好在3以下。当金属条长度远大于宽度时，其阻抗与导线基本相同，因此，当导体很长时，就没有必要专门使用金属条作地线，用一条细导线（地线很长时，没有必要使用粗导线）也具有同样的效果,地线问题地环路,IG,VG,VN,地环路,I1,I2,地环路：设备1 互联电缆 设备2 地 形成的环路,地环路干扰：是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是地环路电流的存在。 由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此在实践中，有时会发现
12、，当将一个设备的安全接地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合，当干扰频率高时，短开地线与否关系不大。,地环路干扰形成的原因1：两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个的驱动下，设备1 互联电缆 设备2 地 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。地线上的电压是由于其它功率较大的设备也用这段地线，在地线中引起较强电流，而地线又有较大阻抗产生的。 地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在设备1 互联电缆 设备2 地 形成的环路中感应出环路电流，与原因1
13、的过程一样导致干扰。,解决地环路干扰的基本思路有两个： 1、减小地线的阻抗，从而减小干扰电压。 2、增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当阻抗无限大时，实际是将地环路切断，即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑，这种直接的方法在实践中往往是不允许的。 思考题：当将一端的设备与地线断开时，干扰现象消失，往往说明有地环路干扰问题，但是为什么不能反过来说：“当有地环路干扰时，只要将一端电路与地线之间的联线断开，就可以解决问题。”？,解决地环路干扰的措施：,隔离变压器光耦合共模扼流圈平衡电路,隔离变压器,屏蔽层只能接2点！,C2,VG,1
14、,2,C1,屏蔽,CP,VG,VS,VN,RL,光隔离器,发送,发送,接收,接收,RL,RL,VG,VS,VS,VG,光耦器件,Cp,共模扼流圈的作用,Vs,R1,R1,RL,L,VG,IN1,IN2,IS,VS + VN, = R1 / L,VN / VG,RL/（RS + RL）,M,f,地线电压实际是一种共模电压，在这个电压的驱动下，电缆中流过的电流是共模电流。因此可以采用在电缆上安装共模扼流圈的方法来抑制地环路电流。,平衡电路对地环路干扰的抑制,VG,RS1,VS1,RS2,RL2,RL1,VS2,IN1,IN2,IS,VL,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
15、共地阻抗,V,改进1,改进2,接地方式种类,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,单点接地：适用于低频电路,1,2,3,1,2,3,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,I1,I2,I3,I1,I2,I3,A,B,C,A,B,C,R1,R2,R3,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,线路板上的地线,噪声,模拟,数字,地线设计原则是在设计线路板时，要将模拟地、数字地以及大功率驱动电路的地分开的依据。,长地线的
16、阻抗,设备,Z0 = (L/C)1/2,R,R,L,L,C,C,FP1 = 1/2(LC)1/2,ZP = (L)2/R,RAC,RDC,串联谐振,并联谐振,当地线在地平面上时，类似一条传输线，可用LCR模型来描述。L、C决定了传输线的阻抗Z。 随着频率升高，电感的感抗不断增加，一直增加到第一个谐振点。超过第一个谐振点后，电路的阻抗为： Z = Z0 tan X (L/C)1/2 式中，X是沿导线倒接地点的长度。 随着频率的增加，交流电阻增加，电路的损耗增加，因此谐振的峰值和峰谷越来越不明显。 为了保证接地阻抗很小，地线的长度要小于最小波长的1/20。,多点接地：适用于高频电路,R1,R2,R
17、3,L1,L2,L3,电路1,电路2,电路3,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10M
18、Hz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（见滤
19、波一章），在谐振点电容的容抗最小。 下图所示的是一个系统受到地环路电流的干扰。如果将设备的安全地断开，地环路就被切断，可以解决地环路电流干扰。但是出于安全的考虑，机箱必须接到安全地上。图中所示的接地系统解决了这个问题，对于频率较高的地环路电流，地线是断开的，而对于50Hz的交流电，机箱都是可靠接地的。,放大器屏蔽壳的接地,C1S,C3S,C2S,C1S,C3S,C2S,等效电路,为了防止外界电场的影响，高增益放大器通常放在屏蔽壳内。这时放大器与屏蔽壳之间的寄生电容C3S和C1S构成了一个从输出到输入的反馈通路。这个反馈会引起放大器的振荡。 解决办法：为了解决这个问题，必须将放大器的公共端与屏蔽
20、壳连接起来。通过将屏蔽壳与放大器公共端连接起来，寄生电容C2S被短路，反馈被消除。,屏蔽电缆的应用是十分广泛的。但是真正取得满意效果的却很少。特别是关于电缆层的接地问题，似乎是一个令人十分困惑的问题。 电缆屏蔽层的接地方式与要抑制的干扰的频率有关。一般分为低频电场、低频磁场和高频电磁波等种类。屏蔽的对象不同，电缆屏蔽层的接地方式也不同。 对电场的屏蔽，屏蔽层只要接地就能获得满意的效果，而对于磁场屏蔽，则屏蔽层的接地方式就要复杂一些。对于高频电磁波的屏蔽，一般要与屏蔽机箱形成完整的屏蔽体才能起作用。 这就是平常所说的，对于高频电磁波，屏蔽电缆与屏蔽机箱要360搭接。,屏蔽层引入的噪声电压：当屏蔽
21、层的两端地点位不同或外界有磁场时，会在屏蔽层上产生电流IS，这时，信号回路的电压方程为：VIN =VOUT - jMIS + jLSIS + RSIS 由于：M = LS，（假设屏蔽层上的电流均匀分布，则从自电感的定义：L = / I，和互电感的定义：M = / I，容易证明），则回路电压方程变为： VIN = VOUT + RSIS 从式中可以看出，在电路的输入端引入了噪声电压RSIS ，,为了避免这种噪声： 电缆的屏蔽层不要作为信号的回流线（信号地线）； 电缆的屏蔽层要单点接地； 说明：IS的主要来源之一是工频电压，不同的接地点之间往往有较大的电位差，会产生较大的电流，有时甚至会导致电缆屏
22、蔽层过热，造成电缆损坏。这是在进行工程施工中需要注意问题。解决的办法是铺设一块电阻很低的金属板作为公共地线，减小电位差。,接地位置不当造成的干扰,稳压电源,稳压电源,火灾 报警器,火灾 报警器,问题：某内含微处理器的设备需要通过在电源线上施加幅度为1500V的电快速脉冲的敏感度试验，结果当试验脉冲幅度达到700V左右时，发生死机现象。,问题：某内含微处理器的设备需要通过在电源线上施加幅度为1500V的电快速脉冲的敏感度试验，结果当试验脉冲幅度达到700V左右时，发生死机现象。 检查结果1：设备的电源线入口处虽然安装了安装电源线滤波器，但滤波器安装方式不对（电源输入线过长、滤波器与金属机箱之间没
23、有良好搭接）。 解决方法1：重新安装滤波器，使满足滤波器安装要求。 效果1： 稍微改善，但仍达不到要求。,检查结果2：滤波器插入损耗不足。 解决方法2：更换滤波器（原滤波器为单级，更换为两级滤波电路）。 效果2： 可以满足要求。 奇怪的现象： 此产品批量生产时，抽查发现，当试验电压为1000V以下时，又发生死机。,检查结果3： 经过与原机（通过试验的样机）对比，发现新设备除了电源输入变压器上比原机的电源变压器多了一根接地线外，其它完全一样。 解决方法3：断开电源变压器上的接地线。 效果2：可以满足要求。 原因分析：经向制造厂家了解，新产品为了更可靠地通过试验，将原来的普通变压器更换为隔离变压器
24、（初次级之间加一金属屏蔽层），这根接地线是隔离层的接地线。但是这根地线连接到了滤波器的接地点，结果滤波器滤除的干扰直接串到变压器的隔离层上，通过隔离层与变压器次级之间的寄生 电容耦合到了变压器的次级。,电磁辐射对电路产生的共模干扰,1、辐射干扰的原因：电磁辐射干扰源产生的辐射场，在设备之间连线上感应一干扰电压V，此干扰电压，将在导线上产生一共模干扰电流，它通过位移电流或地回路电流流动，形成一个闭合回路，相应有一个回路面积存在。,电磁辐射对电路产生的共模干扰,电磁辐射对电路产生的共模干扰,辐射干扰现象1：如果导线的两端接有电气设备，回路面积与导线电容都会增加，导致共模电压及电流跟着增加，但电流的
25、增加率较快，因大的回路面积产生高的电压，而高电容值之阻抗又较低，故电流急剧上升。,电磁辐射对电路产生的共模干扰,辐射干扰现象2： 悬浮的导线已经被拉至接近地面的状况：此时使导线两端对接地面的容量增加，电路阻抗降低，感应的共模电流增加而至较大,电磁辐射对电路产生的共模干扰,辐射干扰现象3：导线两端的设备直接连接到接地面：此时回路面积没有增大多少，但共模感应电流会因为（1）设备内的导线都接于机壳上，（2）导线为同轴电缆或者屏蔽导线，其屏蔽层接于机壳上，而大量增加。,电磁辐射对电路产生的共模干扰,2、共模干扰的数学模型(电场）,电磁辐射对电路产生的共模干扰,2、共模干扰的数学模型 (电场密度）,(1
26、),(2),(3),电场对大型接地回路的共模噪声干扰,电场对小型接地回路的共模噪声干扰,电磁辐射对电路产生的共模干扰,2、共模干扰的数学模型 (磁场）,电磁辐射对电路产生的共模干扰,2、共模干扰的数学模型 (磁场）,磁场对接地回路的共模干扰,电磁辐射对电路产生的共模干扰,例题1：,电磁辐射对电路产生的共模干扰,例题2：,电磁辐射对电路产生的共模干扰,例题3：,电磁辐射对电路产生的共模干扰,4、为了减小某一特定频率的共模电流所产生的辐射干扰，其措施如下：1）减小电流2）减小导线长度,电磁辐射对电路产生的异模干扰,外来干扰电场（或连接线）将产生异模干扰； 异模干扰将出现在输入端，而成为电磁干扰之来源。,
