“吐血整理”--电磁兼容接地设计集锦
品慧电子讯电子、电气产品电磁兼容性设计的目的，是使产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障，并具有对电磁环境中的任何事物不构成电磁骚扰的能力。接地设计是实现电磁兼容的一个重要方法。往往也是难度最大的一项设计。本文介绍了接地设计的目的，方法，以及接地系统的结构和应该注意的几个问题。
1 引言
电子、电气产品电磁兼容性设计的目的，是使产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障，并具有对电磁环境中的任何事物不构成电磁骚扰的能力。电磁兼容性设计的基本方法是指标分配和功能分块设计。也就是说，首先要根据有关标准和规范，把整个产品的电磁兼容性指标要求，细分成产品级的、模块级的、电路级的、元器件级的指标要求；然后，按照各级要实现的功能要求和电磁兼容性指标要求，逐级进行设计，采取一定的防护措施等。经验证明，如果在产品开发阶段解决兼容性问题所需费用为1，那么，等到定型后再想办法解决，费用将增加10倍；若到批量生产后再解决，费用将增加100倍；若到用户发现问题后才解决，费用可能到达1000倍。这就是说如果在产品的开发阶段，同时进行电磁兼容性设计，就可以把80%—90%的电磁兼容性问题解决在产品定型之前。那种不顾电磁兼容性，只按常规进行产品设计，然后对样品进行电磁兼容性技术测试，发现问题再进行补救的做法，非但在技术上会造成很大问题，而且还会造成人力、财力的极大浪费，这是—种非常冒险的做法。
所以，对于任何一种产品，尽早进行电磁兼容性设计都是非常必要的。进行电磁兼容设计时。要有效地抑制电磁骚扰，必须综合使用接地、屏蔽、滤波等措施。静电屏蔽的必要条件是屏蔽体接地。为了同时屏蔽磁场和高频电场，当然，也应将屏蔽体接地。而电磁屏蔽则是用屏蔽体阻止电磁波在空间传播的一种措施，为了避免因电磁感应引起屏蔽效能下降，屏蔽体也应接地。同时，为了避免地电压在屏蔽体内造成干扰，还应当单点接地。屏蔽电缆是在绝缘导线外面再包一层金属薄膜，即屏蔽层。屏蔽层的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的，而是由屏蔽层接地所产生的。也就是说，屏蔽电缆的屏蔽层只有在接地以后才能起到屏蔽作用。例如，骚扰源电路的导线对敏感电路的单芯屏蔽线的骚扰，是通过骚扰源导线与单芯屏蔽线屏蔽层间的耦合电容，以及屏蔽层与芯线间的耦合电容实现的。如果把屏蔽层接地，则骚扰被短路至地，不能再耦合到芯线上，屏蔽层起到了屏蔽作用。但电缆用于磁场屏蔽时则要求屏蔽层两端接地。
对于低频电路，可单端接地，例如，不接地的信号源通过电缆与公共端接地的放大器相连，则电缆屏蔽层应接在该公共端；当信号源公共端接地，放大器不接地时，屏蔽层应接信号源公共端。对于高频电路，应双端接地，而且当电缆长于1/20波长时，应每隔1/10波长距离接一次地。屏蔽层接地的方法是使屏蔽层与连接器屏蔽外壳呈360度良好焊接，避免“辫接”；电缆芯线和连接器插针或插孔焊接；同时，将连线器屏蔽外壳与屏蔽机壳严密相连，使屏蔽电缆成为屏蔽机箱的延伸，才能取得良好的屏蔽效果。
由此可见，屏蔽与接地是有密切关系的。我们知道，电磁骚扰入侵屏蔽体的主要途径是I/O接口和电源线输入口。实际上，屏蔽体内部的电磁骚扰可以耦合到连接I/O接口的导线或电缆以及电源线上，并产生骚扰电流，传导到屏蔽体外，造成传导骚扰和辐射骚扰；同样，外界电磁骚扰也可以通过连接到I/O接口的导线或电缆以及电源线传导进入屏蔽体，或通过电磁感应产生骚扰电流进入屏蔽体，同时又对屏蔽体内造成辐射骚扰。为了抑制骚扰电流流入或流出，位屏蔽体保持较高的屏蔽效能，可以在I/O接口和电源线输入口分别采用滤波器连接器或馈通滤波器。
此外，屏蔽体上安装的蜂窝状通风板是由截止波导管组成的高通滤波器，当面板上需要穿过可调器件的非金属轴杆时，也可以将轴杆穿过截止波导管。用导电玻璃制成的屏蔽视窗，实质上也是高通滤波器。由此可见，为了保证屏蔽效能，屏蔽与滤波是密切相关的。除了特别说明允许不接地的滤波器外，各类滤波器都必须接地。因为滤波器中的共模旁路电容只在接地时才能有作用。特别是л型滤波器，当接地不良时，等于将电容和电感并联，完全失去了滤波作用。此外，安装滤波器时，还应借助于屏蔽，将输入端和输出端完全隔离，才能发挥滤波器的抑制作用。所以滤波与接地、屏蔽都有密切的关系。产品的电磁兼容性设计从表面上看好象很复杂，不知从何下手。但如果能注意以上几个问题，正确运用防护措施，任何复杂的电磁兼容性设计难题都是可以迎刃而解的。
地线设计是最重要的设计，往往也是难度最大的一项设计。“地线”可以定义为信号流回源的低阻抗路径，它可以是专用的回线，也可以是接地平面，有时也可以采用产品的金属外壳。理想的“地” 应是零电阻的实体，各接地点之间没有电位差。但在实际产品内，这种“地”是不存在的，任何“地”或“地线”既有电阻又有电扰，当有电流通过时，必然产生压降，使地线上的电位如同大海中的波浪一样，此起彼伏，并非处是零电位，两个不同的接地点之间就存在地电压。因此，当电路多点接地、并且电路间有信号联系时，就将构成地环路干扰电压，并在信号连线中产生共模电流，叠加在有用信号上一起加到负载端，由于电路的不平衡性，每根连线上的电流不同，还会转换成差模干扰电压，对电路造成干扰。为了减小地环路干扰，一般可采用切断地环路的方法。例如，将一则电路板的信号地线与机壳地绝缘，形成浮地。但这样做仅在低频时有效，当频率较高时，电路板与机壳之间的分布电容仍有可能构成地环路。
此外，可以用平衡电路代替不平衡电路，使电路间信号连线上的共模电流相等，而不会转换成差模干扰电压。也可以在两个电路之间插入隔离变压器、共模扼流圈或光电耦合器等，均可取得一定效果。目前流行的方法是在屏蔽机壳上安装滤波器连接器，由于它的每根插针或每个插扎上都装有一个低通滤波器，可以有效地滤除因地环路干扰引起的高频共模电流。此外，在两个电路之间的连线或电缆上套以铁氧体磁环，也可以有效地滤除高频共模干扰。大型复杂的产品中往往包含多种电子电路以及各种电机、电器等骚扰源，这时地线设计需按以下步骤进行：首先，分析产品内各电路单元的工作电平、信号类型等骚扰特性和抗骚扰能力；其次，将地线分类，例如分为信号地线、骚扰源地线、机壳地线等，信号地线还可分为模拟地线和数字地线等；最后，画出总体布局图和地线系统图。
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- 第一页：引言；
- 第二页：接地设计的理由和目的；
- 第三页：接地的几种方法；
- 第四页：系统接地的结构组成及注意事项
2 接地设计的理由和目的
要求接地的理由很多，下面列出几种：
（1）安全接地：使用交流电的设备必须通过黄绿色安全地线接地，否则当设备内的电源与机壳之间的绝缘电阻变小时，会导致电击伤害。
（2）雷电接地：设施的雷电保护系统是一个独立的系统，由避雷针、下导体和与接地系统相连的接头组成。该接地系统通常与用做电源参考地及黄绿色安全地线的接地是共用的。雷电放电接地仅对设施而言，设备没有这个要求。
（3）电磁兼容接地：出于电磁兼容设计而要求的接地，包括：
屏蔽接地：为了防止电路之间由于寄生电容产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，必须进行隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。
滤波器接地：滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到旁路的作用。
噪声和干扰抑制：对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“最低阻抗”通道。
电路参考：电路之间信号要正确传输，必须有一个公共电位参考点，这个公共电位参考点就是地。因此所有互相连接的电路必须接地。
以上所有理由形成了接地的综合要求。但是，一般在设计要求时仅明确安全和雷电防护接地的要求，其它均隐含在用户对系统或设备的电磁兼容要求中。
接地是电子设备的一个很重要问题。接地目的有三个：
（1）地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参；零电位，保证电路系统能稳定的工作。
（2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感丈而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的尹 压可能引起设各内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的差 蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。
（3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原仁 直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。此外，很多 医疗设备都与病人的人体直接相连，当机壳带有110V或220V目压时，将发生致一命危险。因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解笼一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定是大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全 电子设备的机壳和机房的金属构件等，必须与大地相连接，而且掺 地电阻一般要很小，不能超过规定值。
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- 第四页：系统接地的结构组成及注意事项
3 接地的几种方法
接地的方法很多，具体使用那一种方法取决于系统的结构和功能。“接地”的概念首次应用在电话的设计开发中。从1881年初开始采用单根电缆为信号通道，大地为公共回路。这就是第一个接地问题。但是用大地作为信号回路会导致地回路中的过量噪声和大气干扰。为了解决这个问题，增加了信号回路线。现在存在的许多接地方法都是来源于过去成功的经验，电路的接地方式基本上有四类，即悬浮地、单点接地、多点接 地和混合接地。
3.1 单点接地
如图1所示，单点接地是为许多在一起的电路提供公共电位参考点的方法，这样信号就可以在不同的电路之间传输。若没有公共参考点，就会出现错误信号传输。单点接地要求每个电路只接地一次，并且接在同一点。该点常常以地球为参考。只有一个参考点，因此可以相信没有地回路存在，因而也就没有干扰问题。但地线太长，地线会成为天线向外辐射干扰，频率升高也会加大导线间的干扰，因此只适用于低频电路，地线的长度不应该超过地线中高频电流波长的1/20。
图1 单点和星形接地
3.2 多点接地如图2所示，从图中可以看出，设备内电路都以机壳为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。这种接地结构能够提供较低的接地阻抗，这是因为多点接地时，每条地线可以很短并且多根导线并联能够降低接地导体的总电感。在数字电路和高频大信号电路中必须使用多点接地。并且要求每根接地线的长度小于信号波长的1/20。
图2 多点接地
3.3 混合接地混合接地包含了单点接地和多点接地的特性。对于直流，电容是开路的，电路是单点接地，对于射频，电容是导通的，电路是多点接地。电子设备的混合接地，通常把地线分为两大类：电源地和信号地。设备中各部分的电源地线都接到电源总地线上，所有信号地都接到信号总地线上。两根总地线最后汇总到公共的参考地接地。例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用图3所示的混合接地。
图3 混合接地
3.4 悬浮地悬浮地是指设备的地线在电气上与参考地及其他导体相绝缘。有时为了防止机箱上的骚扰电流直接耦合到信号电路，也有意使信号地与机箱绝缘。这比较容易产生静电积累和静电放电，因此不宜用于通信系统和一般电子产品
4 系统接地的结构组成
这里将以智能建筑的综合布线系统为例子来介绍系统接地的结构。根据接地和接线要求的规定：系统接地的结构包括接地线，接地母线（层接地端子）、接地干线、主接地母线（总接地端子）、接地引入线、接地体六部分。在进行系统接地的设计时，可按上述6个要素分层次地进行设计。
4.1 接地线
接地线是指布线系统各种设备与接地母线之间的连线。所有接地线均为铜质绝缘导线，其截面应不小于4平方毫米。当布线系统采用屏蔽电缆布线时，信息插座的接地可利用电缆屏蔽层作为接地线连至每层的配线柜。若电缆采用穿钢管或金属线糟敷设时，钢管或金属线糟应保持连续的电气连接，并应在两端具有良好的接地。
4.2 接地母线 （层接地端子）
接地母线是水平布线于系统接地线的公用中心连接点。每一楼层配线柜与本楼层接地母线相焊接，还必须与接地母线同一配线间的所有综合布线用的金属架及接地干线均应与该接地母线相焊接。接地母线均应为铜母线，其最的小尺寸应为6mm厚×50mm宽，接线长度视工程实际需要来确定。接地母线应尽量采用电镀锡以减小接触电阻，如不是电镀，则在将导线固定到母线之前，须对母线进行清理。
4.3 接地干线
接地干线是由总接地母线引出，连接所有接地母线的接地导线。在进行接地干线的设计时，应充分考虑建筑物的结构形式，建筑物的大小以及综合布线的路由与空间配置，并与综合布线电缆干线的敷设相协调。接地干线应安装在不受物理和机械损伤的保护处，建筑物内的水管及金属电缆屏蔽层不能作为接地干线使用。当建筑物中使用两个或多个垂直接地干线时，垂直接地干线之间每隔三层及顶层需用与接地干线等截面的绝缘导线相焊接。接地干线应为绝缘铜芯导线，最小截面应不小于16平方毫米。当在接地干线上，其接地电位差大于1Vrm@S(有效值)时，楼层配线间应单独用接地干线接至主接地母线。
4.4 主接地母线 （总接地端子）
一般情况下，每栋建筑物有一个主接地母线。主接地母线作为综合布线接地系统中接地干线及设备接地线的转接点，其理想位置宜设于外线引入间或建筑配线间。主接地母线应布置在直线路径上，同时考虑从保护器到主接地母线的焊接导线不宣过长。接地引入线、接地干线、直流配电屏接地线、外线引入间的所有接地线，以及与主接地母线同一配线间的所有综合布线用的金属架均应与主接地母线良好焊接。当外线引入电缆配有屏蔽或穿金属保护管时，此屏蔽和金属管也应焊接至主接地母线。主接地母线应采用铜母线，其最小截面尺寸为6mm厚X100mm宽，长度可视工程实际需要而定。和接地母线相同，主接地母线也应尽量采用电镀锡以减小接触电阻。如不是电镀，则主接地母线在固定到导线前必须进行清理。
4.5 接地引入线
接地引入线指主接地母线与接地体之间的连接线，宜采用40mm宽×4mm厚或50mm×5mm的镀锌扁钢。接地引入线应作绝缘防腐处理，在其出土部位 应有防机械损伤措施，且不宜与暖气管道同沟布放。
4.6 接地体
接地体分自然接地体和人工接地体两种。当综合布线采用单独接地系统时，接地体一般采用人工接地体，并应满足以下条件： 距离工频低压交流供电系统的接地体不宣小于10m；距离建筑物防雷系统的接地体不应小于2mm； 接地电阻不应大于40Ω。当综合布线采用联合接地系统时，接地体一般利用建筑物基础内钢筋网作为自然接地体，其接地电阻应小于1Ω。在实际应用中通常采用联合接地系统，这是因为与前者相比，联合接地方式具有以下几个显著的优点：当建筑物遭受雷击时，楼层内各点电位分布比较均匀，工作人员及设备的安全能得到较好的保障。同时，大楼的框架结构对中波电磁场能提供10～40dB的屏蔽效果；容易获得较小的接地电阻； 可以节约金属材料，占地少。
5 进行系统的接地设计应注意的几个问题
仍以智能建筑的综合布线系统为例子来介绍接地设计应注意的问题。 综合布线系统采用屏蔽措施时，所有屏蔽层应保持连续性，并应注意保证导线间相对位置不变。屏蔽层的配线设备（FD或BD）端应接地，用户（终端设备）端视具体情况宜接地，两端的接地应尽量连接至同一接地体。当接地系统中存在两个不同的接地体时，其接地电位差应不大于1Vr.m.s（有效值）。
当电缆从建筑物外面进入建筑物内部容易受到雷击、电源碰地、电源感应电势或地电势上浮等外界因素的影响时，必须采用保护。如：雷击引起的危险影响；工作电压超过250V的电源线路碰地；地电势上升到250V以上而引起的电源故障；交流50HZ感应电压超过250V。
综合布线系统的过压保护宜选用气体放电管保护器。因为气体放电管保护器的陶瓷外壳内密封有两个电极，其间有放电间隙，并充有隋性气体。当两个电极之间的电位差超过250V交流电源或700V雷电压时，气体放电管开始出现电弧，为导体和地电极之间提供了一条导电通路。
综合布线系统的过流保护宜选用能够自复的保护器。由于电缆上可能出现这样或那样的电压，如果连接设备为其提供了对地的低阻通路，则不足以使过压保护器动作，而其产生的电流却可能损坏设备或引起着火。例如：220V电力 线可能不足以使过压保护器放电，但有可能产生大电流进入设备内部造成破坏，因此在采用过压保护的同时必须采用过流保护。要求采用能自复的过流保护器，主要是为了方便维护。
总之，随着科学技术的不断发展，人们必将对其电磁兼容提出更为严格的要求。对于广大工程技术人员而言，提高接地系统的稳定性和可靠性以改善系统的电磁兼容性能将是一项长期而艰巨的任务。
参考文献：
【1】工业与民用电力装置的接地设计规范（试行）（GBJ64-83）。
【2】电力设备接地设计技术规程（DJ8-79）。
