EMC接地的概念与分类
铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究（一）
品慧电子讯本文是电子元件技术网网友原创博文《铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究》系列第一章，集中阐述了接地概念与分类。
《铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究》全文从电气电子设备接地重要性与地线干扰形成机理入手，重点介绍电气电子设备接地点与接地方式选择、增加地环路阻抗、降低接地阻抗等方 法，来消除公共阻抗耦合、地环路等地线干扰，实现电气电子设备良好的电磁兼容。最后，针对铁路现场电磁骚扰源特性与耦合方式，成功地将地线干扰抑制方法应 用于某铁路信号设备的电磁兼容设计中。
全文第二章为：EMC地线干扰形成的机理
1 引言
电磁兼容是指在有限的空间、有限的时间、有限的频谱资源条件下，各种电气电子设备或系统可以共存，并 不致引起不允许的性能降低的共存状态和能力。或者说，设备在共同的电磁环境中能一起完成各自功能的共存状态和能力，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境 中其他设备的电磁发射而导致不允许的降级；也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致不允许的降级[1]。
随着电子技术发展,芯片的体积越来越小，电路的工作频率越来越快，器件的工作电压越来越低，PCB的密度越来越大，导致电气电子设备对电磁骚扰越来 越敏感。与此同时，电气电子设备的数量及种类日益增多，使电磁环境变得越来越恶劣。因此，在这种日益复杂的电磁环境中，如何确保电气电子设备的抗干扰性 能，减少相互间的电磁骚扰，即电磁兼容设计，已成为电子设备开发中的最重要的工作内容。
在电气电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。正确的接地，既能提高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的EMI发射；相反，不良的接地乃是 电磁干扰传播主要途径，甚至接地本身成为主要干扰源。有关资料显示，90%的电磁兼容问题是由于印制电路板的布线和接地不当造成的[1]。
本文阐述了接地概念与分类，简介了地线干扰形成的机理，重点介绍了在PCB设计中，通过适当接地方法，规避地线干扰。
2．接地
接地是指将电路、设备、分系统与参考地连接，目的在于提供一个等电位点或面。接地必须有接地导体和参考地才能完成。参考地可以是大地，也可以是起大地作用的，有足够面积的导体，譬如船舶或飞机壳体。理想的参考地是一个零电位、零阻抗的物理体。
2.1 接地定义
接地技术最早应用在强电系统（电力系统、输变电设备、电气设备）中，为了设备遭雷击而采取的保护性措施，目的把雷电产生的雷击电流通过避雷针引入大 地，从而保护建筑物的作用。同时，将接地线与真正的大地（地球）连接，为电气设备和电力设施提供漏电保护的放电通路，是保护人身的安全一种技术措施。
随着电子通信和其他数字领域的发展，在接地系统中只考虑防雷和安全已远远不能满足要求，接地已成为通信互连设备的基准电位，以及高速信号的回流路径。
“地线”在物理教科书中定义为“地线就是电路中的电位参考点，它为系统中的所有电路提供一个电位基准”[1]。此定义不符合实际情况，实际地线上的 电位并不是恒定的，如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位，会发现地线上各点的电位可能相差很大[2]。实践经验证明，正是这些地电位差才造成了电路工 作的异常，或者说，导致电路出现电磁兼容问题。
Henry给地线下了一个更加符合实际的定义，“地线是信号流回源的低阻抗路径”。这个定义突出了地线中电流的流动，按照这个定义，很容易理解地线 中电位差的产生原因。因为地线的阻抗并不会是零，当一个电流通过该阻抗时，就会产生电压降。因此，地线上的电位可以想象成如大海中的波浪一样，此起彼伏， 某印制线路板的电位示意图[3]，如下图所示：
图 1 印制线路板的地电位示意图
下一页：接地意义和接地的分类
12下一页>
- 第一页：接地的概念
- 第二页：接地意义和接地的分类
2.2 接地意义
电子设备中的“地”通常有两种含义：一种是“大地”（安全地），一种是“系统基准地”。接地就是指在系统的某个选定点与某个电位基准面之间建立“低阻抗”的导电通路。
“接大地”，就是以地球的电位作为基准，并以大地作为零电位将金属外壳、线路选定点等通过接地线、接地极组成的接地装置与大地相接。由于大地的电容非常大，一般认为大地的电动势为零电位。
“系统基准地”指以某个参考平面为基准，譬如船舶外壳、金属底座、机壳、粗铜线、PCB板的完整地平面等，并设该基准导体电位为相对零电位，简称为系统地。此时所谓接地就是指线路选定点与基准导体间的连接。
系统基准地不一定是大地相连，只是电路中的共同参考点，这点的电压为0V，电路中其他各点的电压高低都是以这一参考点为基准。把系统基准地与大地连接，往往是考虑提高电路工作的稳定性、静电泄放，保障操作人员的安全性，以及电磁兼容的屏蔽要求。
（1）安全接地
安全接地即将金属机壳接大地。一是可防止机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。
为了安全起见，电气设备的机壳、底盘都应接地，如下图所示。
图 2 机箱与接地
在上图（左）中，电源线与机箱之间的绝缘良好（阻抗很大），若机箱上感应电压很高，尽管机箱没有接地，但由于高阻抗使流过人体的电流很小，所以触及机箱时也不会发生危险。
但是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，则会导致较大的是流流过人体，特别是电源线与机箱之间短路，阻抗为零，这时全部电流流过人体，造成人身伤害。
若机壳实施了接地措施，当发生绝缘崩溃或电力线触及机壳时，会因接地使电力线上有大量电流流动，而烧掉保险丝或使触发漏电保护动作，确保人身安全，避免出现电击的危险，上图右所示。
（2）防雷接地
当设备遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，设备都将受到极大伤害。为防止雷击而设置避雷针，以防雷击时危及设备和人身安全。
防雷接地，为雷击电流提供了一条泄放电荷的路径，如下图（左）所示：
图 3 防雷与防静电接地
在装有浪涌抑制器的电子设备或仪器中，接地是很有必要的，否则无法为泄放浪涌能量提供低阻抗的路径。对于许多静电敏感的场合，接地还是释放电荷的主要手段，如上图（右）所示。上述两种接地主要为安全考虑，均要直接接在大地上。
（3）工作接地
当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致电路系统工作的不稳定。
当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化，但是不正确的工作接地反而会增加干扰，譬如公共地线干扰、地环路干扰等。
为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。本文下一章：EMC地线干扰形成的机理
相关阅读：
高速印制电路板的EMC设计
EMC地线干扰形成的机理
马永健老师谈EMC到底该如何设计？
三方面有效控制EMC
- 第一页：接地的概念
- 第二页：接地意义和接地的分类
