10．5  地線的電磁兼容設(shè)計(jì)

    地線作為電路電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體，實(shí)際上它的電位并不是恒定的。如果用儀表測量一下地線上各點(diǎn)之間的電位，會(huì)發(fā)現(xiàn)地線上各點(diǎn)的電位可能相差很大。正是這些電位差才造成了電路工作的異常。電路是一個(gè)等電位體的定義僅是人們對(duì)地線電位的期望。

地線的實(shí)質(zhì)是信號(hào)回流源的低阻抗路徑。地線中的電流是流動(dòng)的，這樣就很容易理解地線中電位差的產(chǎn)生原因。因?yàn)榈鼐€的阻抗總不會(huì)是零，當(dāng)一個(gè)電流通過有限阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓降。因此，應(yīng)該將地線上的電位想像為大海中的波浪一樣，此起彼伏。

許多電磁干擾問題是由地線產(chǎn)生的，因?yàn)榈鼐€電位是整個(gè)電路工作的基準(zhǔn)電位，如果地線設(shè)計(jì)不當(dāng)，地線電位就不穩(wěn)，就會(huì)導(dǎo)致電路故障。地線的電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是要保證地線電位盡量穩(wěn)定，從而消除干擾現(xiàn)象。

10．5．1  地線的阻抗

    地線的阻抗引起的地線上各點(diǎn)之間的電位差能夠造成電路的誤動(dòng)作，用歐姆表測量地線的電阻時(shí)，地線的電阻往往在毫歐姆級(jí)，電流流過這么小的電阻時(shí)為什么會(huì)產(chǎn)生這么大的電壓降，導(dǎo)致電路工作的異常。

    要明白這個(gè)問題，首先要區(qū)分開導(dǎo)線的電阻與阻抗兩個(gè)不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。任何導(dǎo)線都有電感，當(dāng)頻率較高時(shí)，導(dǎo)線的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻，表10-5-1給出的數(shù)據(jù)說明了這個(gè)問題。在實(shí)際電路中，造成電磁干擾的信號(hào)往往是脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)包含豐富的高頻成分，因此會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電壓。對(duì)于數(shù)字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響是較大的。

表10-5-1 導(dǎo)線的阻抗

長度   頻率	線徑D=0.54mm		線徑D=0.27mm		線徑D=0.054mm
	10cm	1m	10cm	1m	10cm	1m
10Hz	51.5mΩ	518 mΩ	325mΩ	3.27mΩ	102mΩ	753mΩ
1K Hz	125mΩ	618 mΩ	633mΩ	8.92mΩ	206mΩ	879mΩ
100K Hz	425mΩ	713 mΩ	789mΩ	827mΩ	304mΩ	1.0Ω
1M Hz	853mΩ	7.13Ω	981mΩ	8.27Ω	715mΩ	10Ω
5M Hz	2.15Ω	34.5Ω	2.8Ω	41.8Ω	3.59Ω	52Ω
10M Hz	4.27Ω	71.8Ω	5.7Ω	83.5Ω	7.22Ω	103Ω
50M Hz	21.8Ω	378Ω	28Ω	425Ω	35.9Ω	496Ω

 

如果將10 Hz時(shí)的阻抗近似認(rèn)為是直流電阻，可以看出當(dāng)頻率達(dá)到10 MHz時(shí)，對(duì)于1 m長導(dǎo)線，它的阻抗是直流電阻的1000倍至10萬倍。因此對(duì)于射頻電流，當(dāng)電流流過地線時(shí)，電壓降是很大的。  

從表10-5-1可以看出，增加導(dǎo)線的直徑對(duì)于減小直流電阻是十分有效的，但對(duì)于減少交流阻抗的作用很有限。在電磁兼容中，人們最關(guān)心的交流阻抗。為了減少交流阻抗，一個(gè)有效的辦法是多根導(dǎo)線并聯(lián)。當(dāng)兩根導(dǎo)線并聯(lián)時(shí)，其總電感L為： 

L=（L1+M）/2

式中L1是單根導(dǎo)線的電感，M是兩根導(dǎo)線之間的互感。

從上式中可以看出，當(dāng)兩根導(dǎo)線相距較遠(yuǎn)時(shí)，它們之間的互感很小，總電感相當(dāng)于單根導(dǎo)線電感的一半。因此可以通過多條接地線來減小接地阻抗。但要注意的是，多根導(dǎo)線之間的距離不能過近。

10．5．2  地線的干擾機(jī)理

    由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時(shí)，這個(gè)電壓可以很大。例如附近有大功率電器啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在地線中流過很強(qiáng)的電流。這個(gè)電流會(huì)在兩個(gè)設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電壓。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成影響。由于這種干擾是電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場感應(yīng)出來。 

公共阻抗干擾，當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，由于地線的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制。這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)另一個(gè)電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。

公共阻抗耦合，在數(shù)字電路中，由于信號(hào)的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時(shí)，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問題。

10．5．3  地線干擾對(duì)策

1．地環(huán)路對(duì)策  

    從地環(huán)路干擾的機(jī)理可知，只要減少地環(huán)路中的電流就能減少地環(huán)路干擾。如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問題。因此，有以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案。

(1)將一端的設(shè)備浮地

    如果將一端電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個(gè)問題需要注意，一個(gè)是出于安全的考慮，往往不允許電路浮地。這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過一個(gè)電感接地。這樣對(duì)于50 Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾。

    另一個(gè)問題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)會(huì)提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。

(2)使用變壓器實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接

    利用磁路將兩個(gè)設(shè)備連接起來，可以切斷地環(huán)路電流。但要注意，變壓器初次級(jí)之間的寄生電容仍然能夠?yàn)轭l率較高的地環(huán)路電流提供通路，因此變壓器隔離的方法對(duì)高頻地環(huán)路電流的抑制效果較差。提高變壓器高頻隔離效果的一個(gè)辦法是在變壓器的初次級(jí)之間設(shè)置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，變壓器要安裝在信號(hào)接收設(shè)備的一側(cè)。  經(jīng)過良好屏蔽的變壓器可以在lMHz以下的頻率提供有效的隔離。

(3)使用光隔離器

    另一個(gè)切斷地環(huán)路的方法是用光實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。這可以說是解決地環(huán)路干擾問題的最理想方法。用光連接有兩種方法，一種是用光耦器件，另一種是用光纖連接。光耦器件的寄生電容一般為2pF，能夠在很高的頻率提供良好的隔離。光纖連接幾乎沒有寄生電容，但安裝、維護(hù)、成本等方面都不如光耦器件。 

在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的阻抗，這樣在一定的地線電壓作用下，地環(huán)路電流會(huì)減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對(duì)高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。

 2．消除公共阻抗耦合

    消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)，一個(gè)是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊庀嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。

如前所述，減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。這包括使用扁平導(dǎo)體做地線，用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體接地線。對(duì)于印刷電路板，在雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗，在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗，但這會(huì)增加線路板的成本。

通過適當(dāng)接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖10-5-1所示。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線過多。因此在實(shí)際中，沒有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對(duì)于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)等分類，然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，構(gòu)成串并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖10-5-2所示。

    地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，會(huì)形成公共阻抗耦合。

    解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路，增加地環(huán)路的阻抗，使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗。

10．5．4  地線設(shè)計(jì)的原則

接地是控制電路干擾的重要方法。將接地和屏蔽結(jié)合起來，可解決大部分干擾問題。一般來講，地線結(jié)構(gòu)可分為系統(tǒng)地、機(jī)殼地、數(shù)字地和模擬地。在地線設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1．?dāng)?shù)字地與模擬地分開

    若電路板上既有高速數(shù)字電路，又有線性模擬電路，應(yīng)使它們盡量分開，兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。  

2．正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地

電路的低頻模擬部分，工作頻率低，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。在數(shù)字部分，工作頻率高，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，采用就近多點(diǎn)接地。

3．接地線應(yīng)盡量加粗

  若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，致使信號(hào)電平不穩(wěn)，使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如有可能，接地線應(yīng)在2~3 mm以上。

4．接地線構(gòu)成閉環(huán)電路

只由數(shù)字電路組成的印刷電路板，其接地電路布成圓環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。

 

 

本章小結(jié)

    本章簡要介紹了電磁兼容方面的一些知識(shí)。電磁兼容(EMC)的定義是：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。”國際電工委員會(huì)(IEC)有兩個(gè)技術(shù)委員會(huì)專門從事電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作，即國際無線電干擾特別委員會(huì) (CISPR)和第77技術(shù)委員會(huì)(TC77)。

    (1)電磁兼容問題的三個(gè)要素是：電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。耦合途徑有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。輻射干擾又分為共模干擾和差模干擾。 

    (2)集成電路芯片的EMC問題。在考慮EMI控制時(shí)，首先應(yīng)該考慮對(duì)集成電路芯片的選擇。因?yàn)樵浇咏麰MI源，實(shí)現(xiàn)EMI控制所需的成本就越小。。應(yīng)該選擇外形尺寸非常小的SMT或者BGA封裝；多個(gè)電源和地管腳成對(duì)配置；采用可能的最低驅(qū)動(dòng)電壓VCC，如相對(duì)于5V來說可以采用3．3V的驅(qū)動(dòng)電壓，或者使用低電壓差分邏輯信號(hào)(LVDS)；在IC封裝內(nèi)部使用高頻去耦電容等。

    (3)濾波設(shè)計(jì)。濾波器可以抑制交流電源線上輸入的干擾信號(hào)及信號(hào)傳輸線上感應(yīng)的各種干擾。

(4)屏蔽與搭接設(shè)計(jì)。屏蔽就是用屏蔽體將元部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)包圍起來，防止干擾電磁場向外擴(kuò)散，防止外界電磁場的影響。電磁屏蔽的技術(shù)原理有反射和吸收，可以分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

(5)電源設(shè)計(jì)。在電源線上產(chǎn)生很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加大電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時(shí)，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

(6)地線設(shè)計(jì)。安全接地，將機(jī)殼接地。工作接地，給電路系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，同時(shí)也可將高頻干擾引走。接地電阻越小越好。工作接地分為低頻電路地和高頻電路地2種接地方式。   

復(fù)習(xí)思考題

10-1 電磁兼容研究的內(nèi)容有哪些?

10-2 電磁兼容的解決方案有哪些?

10-3 共模干擾和差模干擾有哪些差別?

10-4 電磁兼容的控制技術(shù)有哪些?

10-5 怎樣判別干擾形式為磁場干擾還是電場干擾?

10-6 為什么說數(shù)字電路PCB產(chǎn)生的輻射要比模擬電路PCB更嚴(yán)重?

10-7  EMI控制技術(shù)包括哪些?

10-8 集成電路EMI有哪些來源?

10-9  PCB中元器件的布局應(yīng)從哪幾個(gè)方面考慮?

10-10 數(shù)字電路PCB的布局與布線應(yīng)考慮哪些方面的問題?

10-11 混合電路PCB的布局與布線應(yīng)考慮哪些方面的問題?

10-12 濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些方面?

10-13 屏蔽有什么作用?

10-14 電場屏蔽與磁場屏蔽有何異同?

10-15 電源線的設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些方面的問題?

10-16 退耦電容的安裝應(yīng)注意哪些方面的問題?

10-17 接地的種類有哪些?

10-18 地線的阻抗與哪些因素有關(guān)?

10-19 接地的方式有哪些？各有什么區(qū)別？

10-20 地線設(shè)計(jì)的原則是什么？