設(shè)計光電設(shè)備電磁兼容接地問題淺析。

1引言

光電設(shè)備具有結(jié)構(gòu)精密，電路復(fù)雜，高低頻交錯、強(qiáng)弱信號交叉等特點，既易受干擾也易引起干擾。電磁兼容設(shè)計是光電設(shè)備實現(xiàn)功能、充分發(fā)揮系統(tǒng)效能的重要保證。電磁兼容是研究在有限的空間、時間和頻譜資源等條件下，各種用電設(shè)備可以共存并不致引起降級的一門科學(xué)。電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境下正常工作并不對環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁騷擾是指任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降級，或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象…1。
電磁騷擾引起的后果即電磁干擾，是電磁騷擾源發(fā)射的電磁能量經(jīng)過耦合途徑傳輸?shù)矫舾性O(shè)備的過程。電磁干擾的三要素是：電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。
地線是電流流回源的最低阻抗路徑，是為電路和系統(tǒng)提供參考基準(zhǔn)的等電位或面。適當(dāng)?shù)慕拥厥墙鉀Q電磁兼容問題的有效技術(shù)措施，利于抑制騷擾源、消除或減弱騷擾耦合、降低敏感設(shè)備對騷擾的響應(yīng)或增加電磁敏感性電平。
2地線干擾分析
按照功能地線可以分為兩類：
安全地——為保護(hù)工作人員和設(shè)備的安全的接地，旨在消除危險電壓，防止因積累電荷而產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象。
“零電位”地——為電路提供參考基準(zhǔn)電位的接地，同時引走高頻干擾。
2．1地線的主要特性
2．1．1接地電阻
接地電阻指直流狀態(tài)下地線對電流呈現(xiàn)的阻抗，由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。根據(jù)歐姆定律，J=U／R。當(dāng)電流流過地線時，其上將產(chǎn)生電壓，接地電阻R越大，則電壓U越大，不但會產(chǎn)生共地阻抗，而且可能對設(shè)備造成反擊過電壓，甚至電擊傷害人員的危險。
如果垂直接地極地電阻為尺，則

中的深度，單位rn；d為接地極的直徑，單位ITI。由公式1可得，P和L越小，d越大，則R越小。
2．1．2地線的阻抗
地線的阻抗指交流狀態(tài)下地線對電流的阻抗，主要由導(dǎo)線電感引起㈦2。電流通過有限阻抗時會引起地線電位波動，導(dǎo)致電路誤動作。地線LCR網(wǎng)絡(luò)模型描述的等效電路見圖1。底線阻抗與直流電阻和頻率成正比，導(dǎo)線越長，頻率越高，阻抗越大。
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如表1所示，相同頻率、相同寬度的印制線，導(dǎo)線越長的阻抗越大；相同頻率、相同長度的印制線，線寬越小阻抗越大；相同線寬、相同長度的導(dǎo)線，頻
率越高阻抗越大。線長3m，線寬分別為lmm和3mm的印制線，10kHz時的阻抗分別為100MHz時的2．8倍和1．1倍，可見增加導(dǎo)線直徑對于減小直
流電阻是十分有效的，但對于減小交流阻抗的作用很有限。
2．1．4趨膚效應(yīng)
趨膚效應(yīng)指射頻／，微波信號沿導(dǎo)線傳輸，信號頻率越高，越是沿導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，而?dǎo)體內(nèi)核承載的電流越小的現(xiàn)象。導(dǎo)線實際承載電流的導(dǎo)體表面深度
被稱為這個導(dǎo)體對這個頻率信號的“趨膚深度”，頻率越高“趨膚深度”越大。
2．2來自地線的主要問題

2．2．1地環(huán)路干擾
由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時，這個電壓可以很大。例如附近有大功率用電路運(yùn)行時，地線中會流過很強(qiáng)的電流，這個電流會在兩個設(shè)備的連接電纜上驅(qū)動電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響。由于這種干擾是由電纜與地線構(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。

2．2．2公共阻抗耦合
當(dāng)兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制。這樣一個電路中的信號會耦合進(jìn)另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。在數(shù)字電路中，信號的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗，如果不同電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合現(xiàn)象。
3實現(xiàn)電磁兼容的接地措施
接地的要點是電位相同、內(nèi)部電路不互相干擾并抵御外來干擾，盡量減少導(dǎo)線電感引起的阻抗，增加地環(huán)路的阻抗，減少地環(huán)路的干擾。
3．1降低接地電阻
a．降低接地線電阻，選用總截面大和長度短的多股細(xì)導(dǎo)線；
b．降低接觸電阻，接地線與接地螺栓、接地極緊密牢靠連接，增加接地極和土壤之間的接觸面積與緊密度；
C．降低地電阻，增加接地極的表面積和增加土壤的導(dǎo)電率(如在土壤中注入鹽水)。
3．2減小地線阻抗
減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。包括使用扁平導(dǎo)體作地線，用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。對于印刷線路板，在雙層板上布地線網(wǎng)格或者在多層板中專門用一層作地線層都能有效地減小地線阻抗。對于導(dǎo)線，多根導(dǎo)線并聯(lián)是減小交流阻抗的有效辦法。當(dāng)兩根導(dǎo)線并聯(lián)時，其總電感L為
L=(Ll+M)／2(2)
式中Ll為單根導(dǎo)線的電感；M為兩根導(dǎo)線之間的互感。
由式(2)可以看出，當(dāng)兩根導(dǎo)線相距較遠(yuǎn)時，他們之間的互感很小，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，多根導(dǎo)線之間的距離不能過近。

3．3消除地環(huán)路干擾
地線阻抗和地環(huán)路電流是地環(huán)路干擾的主要成因，因此在減小地線阻抗的同時，還應(yīng)減小地環(huán)路電流。
a．使用共模扼流圈
在連接電纜上使用共模扼流圈增加了地環(huán)路阻抗，在一定的地線電壓下地環(huán)路電流減小。但共模扼流圈的匝數(shù)越多，寄生電容越大，高頻隔離效果越差。
b．使用光隔離器
用光傳輸信號以切斷地環(huán)路是解決地環(huán)路干擾問題最理想的方法。一般采用光耦器件或光纖。光耦的寄生電容通常為2pF，能夠在很高的頻率實現(xiàn)良好隔離。光纖幾乎沒有寄生電容，但安裝復(fù)雜、成本高。
C．使用變壓器實現(xiàn)設(shè)備之間的連接
利用變壓器磁路連接兩個設(shè)備能夠切斷地環(huán)路電流。但變壓器初次級之間存在的寄生電容，寄生電容越大，耦合電壓也越大，不利于抑制高頻地環(huán)路電流，所以要盡量減小初次級之間的寄生電容，在初次級之間設(shè)置良好屏蔽可為1MHz以下頻率提供有效隔離而避免高頻耦合。
3．4消除公共阻抗耦合
消除公共阻抗耦合的途徑除了減小公共地線部分的阻抗來減小公共地線上的電壓，還要通過適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，尤其強(qiáng)調(diào)強(qiáng)電電路和弱電電路隔離，數(shù)字電路、模擬電路、功率電路隔離，信號地線與功率地和機(jī)殼地絕緣。
電路的接地方式基本上有：單點接地、多點接地、混合接地、多級接地、浮地。
3．4．1單點接地
單點接地是指在一個線路中只有一個物理點被定義為接地參考點，其它接地點都與這個點連接，目的是降低直流和低頻電流在結(jié)構(gòu)中的流通。工作頻率小于1MHz的低頻電路受電感影響小，受地環(huán)路電流影響大，應(yīng)采取單點接地130；工作頻率在1—10MHz，地線長度不超過波長的1／20可以采用單點接地。多個電路的單點接地方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，見圖2。
串聯(lián)接地優(yōu)點是接地導(dǎo)線少，缺點是會產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以適用于相互干擾較少的電路。多個單元電路組成的多級電路采用串聯(lián)式單點接地方式，接地點應(yīng)選在低電平電路的輸入端，使其最接近參考地。
并聯(lián)單點接地適用于相互干擾較多的低頻電路，缺點是接地導(dǎo)線過多。
結(jié)合兩種方式的優(yōu)缺點，先將電路按照強(qiáng)信號、弱信號、模擬信號、數(shù)字信號等分類，相同類型電路內(nèi)部用串聯(lián)單點接地，不同類型的電路間采用并聯(lián)單點接地。

3．4．2多點接地
多點接地是指系統(tǒng)中各個接地點都直接接到最近的地平面上，如圖3所示。多點接地適合工作頻率高于30MHz的電路H]。由于接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率增高將增加共地阻抗，增大共地阻抗將產(chǎn)生電磁干擾，所以地線的長度盡量短，接地面阻值盡量低且盡量一致。
3．4．3混合接地(復(fù)合接地)
混合接地指將高頻接地點利用旁路電容和接地平面連接起來，即單點13(2、多點RF方式，見圖4?；旌辖拥剡m用于工作頻率介于1～30MI-Iz，接地線
的長度大于工作信號波長1／20的電路，以防止旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。

效果取決于浮地絕緣電阻、寄生電容和信號頻率。
3．5屏蔽體接地
3．5．1系統(tǒng)的屏蔽接地
將系統(tǒng)屏蔽，并將屏蔽體接大地，既能限制內(nèi)部電磁波向外輻射，也能阻擋外部電磁波向內(nèi)輻射，抑制空間傳播電磁干擾。
。
3．5．2電纜的屏蔽層接地
低頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用單點接地的方式，接地點應(yīng)當(dāng)與電路的接地點一致。對于多層屏蔽電纜，每個屏蔽層應(yīng)在一點接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。
高頻電路電纜的屏蔽層接地應(yīng)采用多點接地的方式。電纜長度大于工作信號波長的O．15倍時，采用工作信號波長的0．15倍的間隔多點接地，若實現(xiàn)困難至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。
3．5．3電路的屏蔽罩接地
信號電路與屏蔽罩之間存在寄生電容，因此要將信號電路末端與屏蔽罩相連，以消除寄生電容的影響，并將屏蔽罩接地，以消除共模干擾。
3．5．4交變電場屏蔽
為降低交變電場對敏感電路的耦合干擾電壓，在干擾源和敏感電路之間設(shè)置導(dǎo)電好的金屬屏蔽體，并將金屬屏蔽體接地，減小對敏感電路的耦合干擾電壓。
3．6正確選取與搭接地線
根據(jù)趨膚效應(yīng)，可以用三個參數(shù)評價接地導(dǎo)線：

導(dǎo)線總電阻、導(dǎo)線最大電流通量、導(dǎo)線截面總周長。
高頻電路應(yīng)采用導(dǎo)線截面總周長大的導(dǎo)線。
搭接是在兩個金屬體之間建立低阻抗通路，為電流提供勻稱結(jié)構(gòu)體，使搭接金屬面成為等電位面。搭接方式分為直接搭接和間接搭接。直接搭接指直接將要連接的兩個金屬面保持接觸；間接搭接指搭接體之間以金屬導(dǎo)線相連，適用于移動設(shè)備和安裝防震墊設(shè)備倒5。
4結(jié)論
接地是光電設(shè)備電磁兼容設(shè)計的重要內(nèi)容，有利于保護(hù)設(shè)備及人身安全，以及光電設(shè)備正常可靠工作。地線造成電磁干擾的主要原因是它存在阻抗和感抗，在電流通過時會產(chǎn)生電壓并形成地環(huán)路干擾，兩個電路共用一段地線時會形成公共阻抗耦合。解決地環(huán)路干擾的方法有增加地環(huán)路的阻抗、切斷地環(huán)路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公用地線部分的公共阻抗并采用適當(dāng)?shù)慕拥胤绞健?/p>