EMC博导
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地线设计是电磁兼容设计中大家都很注意,却又不知道应该怎样去做的一个问题。了解了地线造成干扰问题的机理之后,在设计和实施地线时就有了一个明确的思路。本期从介绍地线造成干扰的原理入手,使读者了解设计地线的关键和原则。 <table cellspacing="0" cellpadding="0" width="7%" border="0"><tbody><tr><td> </td></tr></tbody></table><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="80%" border="0"><tbody><tr><td height="1301"><font size="3"><b>1 什么是地线?</b></font><br /> 地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线,后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地,因此这里仅讨论信号地的问题。<br />信号地的一般定义是:电路的电位参考点。<br /> 更恰当地说,这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。从现在开始,我们在分析电磁兼容问题时,使用下面的定义。<br /> 地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。<br /> 既然地线是电流的一个路径,那么根据欧姆定律,地线上是有电压的;既然地线上有电压,说明地线不是一个等电位体。这样,我们在设计电路时,关于地线电位一定的假设就不再成立,因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。 <p><font size="3"><b>2 地线的阻抗有多大?</b></font><br /> 一个难以理解的问题是,我们在设计地线时,都使地线的电阻很小,那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。理解这个问题,要理解地线阻抗的组成。<br /> 地线的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成,即:Z = RAC + jωL。<br /> <b>电阻成分</b>:导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流,由于趋肤效应,电流集中在导体的表面,导致实际电流截面减小,电阻增加,直流电阻和交流电阻的关系如下: <br /> R<font size="1">AC</font>= 0.076rf1/<font size="1">2</font>R<font size="1">DC</font><br />式中:r=导线的半径,单位cm,f=流过导线的电流频率,单位Hz, RDC= 导线的直流电阻,单位Ω。<br /><b> 电感成分</b>:任何导体都有内电感(这区别于通常讲的外电感,外电感是导体所包围的面积的函数),内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下:<br /> L=0.2S[ln(4.5/d) -1] (μH)<br />式中S=导体长度(m),d=导体直径(m) <br /> 表1说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻,从表中可以看出,随着频率升高,阻抗增加很快,当频率达到100MHz以上时,直径6.5mm长度仅为10cm的导线也有数十欧姆的阻抗。 </p><table bordercolor="#666666" cellspacing="0" cellpadding="0" width="80%" border="1"><tbody><tr><td rowspan="2">频率</td><td colspan="2">d=0.65cm</td><td colspan="2">d=0.27cm</td><td colspan="2">d=0.06cm</td><td colspan="2">d=0.04cm</td></tr><tr><td bgcolor="#eeeeee">10cm</td><td>1m</td><td bgcolor="#eeeeee">10cm</td><td>1m</td><td bgcolor="#eeeeee">10cm</td><td>1m</td><td bgcolor="#eeeeee">10cm</td><td>1m</td></tr><tr><td>10Hz</td><td bgcolor="#eeeeee">51.4μΩ</td><td>517μΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">327μΩ</td><td>3.28mΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">5.29mΩ</td><td>52.9mΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">13.3mΩ</td><td>133mΩ</td></tr><tr><td>1kHz</td><td bgcolor="#eeeeee">429μΩ</td><td>7.14mΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">632μΩ</td><td>8.91mΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">5.34mΩ</td><td>53.9mΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">14mΩ</td><td>144mΩ</td></tr><tr><td>100kHz</td><td bgcolor="#eeeeee">42.6mΩ</td><td>712mΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">54mΩ</td><td>828mΩ</td><td bgcolor="#eeeeee">71.6mΩ</td><td>1.0Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">90.3mΩ</td><td>1.07Ω</td></tr><tr><td>1MHz</td><td bgcolor="#eeeeee">426mΩ</td><td>7.12Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">540mΩ</td><td>8.28Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">714mΩ</td><td>10Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">783mΩ</td><td>10.6Ω</td></tr><tr><td>5MHz</td><td bgcolor="#eeeeee">2.13Ω</td><td>35.5Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">2.7Ω</td><td>41.3Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">3.57Ω</td><td>50Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">3.86Ω</td><td>53Ω</td></tr><tr><td>10MHz</td><td bgcolor="#eeeeee">4.26Ω</td><td>71.2Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">5.4Ω</td><td>82.8Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">7.14Ω</td><td>100Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">7.7Ω</td><td>106Ω</td></tr><tr><td>50MHz</td><td bgcolor="#eeeeee">21.3Ω</td><td>356Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">27Ω</td><td>414Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">35.7Ω</td><td>500Ω</td><td bgcolor="#eeeeee">38.5Ω</td><td>530Ω</td></tr><tr><td>100MHz</td><td bgcolor="#eeeeee">42.6Ω</td><td> </td><td bgcolor="#eeeeee">54Ω</td><td> </td><td bgcolor="#eeeeee">71.4Ω</td><td> </td><td bgcolor="#eeeeee">77Ω</td><td> </td></tr><tr><td>150MHz</td><td bgcolor="#eeeeee">63.9Ω</td><td> </td><td bgcolor="#eeeeee">81Ω</td><td> </td><td bgcolor="#eeeeee">107Ω</td><td> </td><td bgcolor="#eeeeee">115Ω</td><td> </td></tr></tbody></table><p><b>表1</b> 不同直径、长度的导线的阻抗</p><p><font size="3"><b>3 地环路干扰及对策</b></font><br /> 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设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流,由于电路的非平衡性,地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压(图1)。 <br /> 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,当将一个设备的地线断开时,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。<br /><b> 地环路干扰形成的原因1</b>:两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“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他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。<br /> <b>地环路干扰形成的原因2</b>: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的过程一样导致干扰。<br /> <b>解决地环路干扰的方法</b>:解决地环路干扰的基本思路有三个:一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压,但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗,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。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构<img src="http://www.epc.com.cn/magzine/20060105/mary20050806220402.jpg" />,将一个机箱的地线连接到另一个机箱上,通过另一个机箱接地,这就是单点接地的概念。 <br /><b><font size="3">4 公共阻抗耦合及对策</font></b><br /> 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,如图2(a) 所示。<br /> 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。<br /> <b>放大器级间公共地线耦合问题</b>:图2(a) 中的放大器,由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线,功率放大电路的地线电流很大,因此在地线上产生了较大的地线电压V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中,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。<br /> <b>解决办法</b>:可以有两个解决办法,一个是将电源的位置改变一下,使它靠近功率放大电路,这样,就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了,如图2 (b) 所示。另一个办法是功率放大电路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,如图2 (d) 所示。</p><p><font size="3"><b>5 接地策略</b></font><br /><img src="http://www.epc.com.cn/magzine/20060105/mary20050806220421.jpg" /><img src="http://www.epc.com.cn/magzine/20060105/mary20050806220436.jpg" /> 信号地有图3所示的几种方式。<br /> <b>单点接地</b>: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。最大好处是没有地环路,相对简单。但地线往往过长,导致地线阻抗过大。<br /> <b>多点接地</b>:所有电路的地线就近接地,地线很短,适合高频接地。问题是存在地环路。<br /> <b>混合接地</b>: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。 <br /> 串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题,解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多,而没有可实现性。因此,灵活的方案是,将电路按照信号特性分组,相互不会产生干扰的电路放在一组,一组内的电路采用串联单点接地,不同组的电路采用并联单点接地。如图4所示。这样,既解决了公共阻抗耦合的问题,又避免了地线过多的问题。</p></td></tr></tbody></table> |
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