设备接地主要有两种原因:电缆接地、设备接地和系统接地。第一个原因是为了防止在设备框架或外壳由于闪电或意外击穿电线或部件而产生高电压时发生电击和火灾危险。第二个原因是为了减少由电磁场、通用阻抗或其他形式的干扰耦合造成的EMI影响。
从历史上看,接地要求是为了防止电气故障、闪电和工业产生的静电而产生的。由于大多数电源故障和防雷控制依赖于低阻抗接地路径,发电和传输系统的所有主要部件都接地以提供所需的低阻抗路径。因此,强烈强调电气设备的接地,总体理念是“地、地、地”,而不考虑这种方法可能产生的其他问题,如电磁干扰。
当引入电子设备时,接地问题变得更加明显。这些问题是由于电路和设备接地经常为不希望的EMI耦合提供机制。此外,对于电子系统,地面可能同时执行两种或多种功能,而这些多种功能可能在操作要求或实施技术方面发生冲突。例如,如图1所示,电子设备的接地网络可以用作信号返回,提供安全性,提供EMI控制,也可以作为天线系统的一部分。
因此,为了避免产生电磁干扰问题,必须认识到有效的接地系统,就像设备或系统的任何其他部分一样,必须仔细设计和实施。接地是一个系统问题,为了使接地安排表现良好,必须精心构思,准确设计和实施。接地配置必须权衡尺寸和频率,就像任何功能电路一样。
本章的目的是帮助工程师、设计人员和技术人员通过提供有序的系统接地方法来优化设备的功能和可靠性。这种方法比通常采用的经验性和有时相互矛盾的方法更可取。
接地系统特点
理想情况下,接地系统应该为所有信号提供零阻抗路径,它作为参考。如果是这种情况,来自连接到地面的不同电路或设备的信号电流可以返回到各自的源,而不会在电路或设备之间产生不必要的耦合。许多干扰问题的发生,都是由于设计人员将接地视为理想,而没有适当注意接地系统的实际特性。设计人员将地面系统视为理想的主要原因之一是,从电路或设备设计参数的角度来看,这一假设通常是有效的(即,功率或信号频率的阻抗很小,对电路或设备性能几乎没有影响)。然而,如果要避免电磁干扰问题,必须认识到地面的非理想性质。
阻抗特性
接地系统的每一个元件(导体),无论是电源接地、信号接地还是防雷接地,都具有电阻、电容和电感的特性。信号电缆的屏蔽和排水线,绿线电源安全接地,雷电导体,变压器拱顶母线,结构钢构件-所有导体都具有这些特性。所有金属都具有电阻性。地路导体的电阻是材料、长度和截面积的函数。与接地导体相关的电容由其几何形状、与其他导体的接近程度以及介电介质的性质决定。电感是其大小、几何形状、长度的函数,并且在有限的程度上,是金属的相对渗透性的函数。接地系统的阻抗是电阻、电感、电容和频率的函数。
由于导体的电感特性随宽度而减小,随长度而增大,因此经常建议使用5:1的长宽比作为接地带。这种5:1的长宽比提供了一个电抗,大约是一个直圆形电线的45%。
表5.1中给出了几种线规和长度的直圆导线阻抗随频率的函数。典型地平面阻抗如表5.2所示。注意,对于典型长度的导线,地平面阻抗比圆形导线小几个数量级。还要注意,圆形导线和地平面的阻抗都随着频率的增加而增加,在更高的频率时变得相当显著。
一种常见的情况是接地电缆(电源或信号)在靠近地平面的地方运行。设备接地如图3所示。图4给出了该简单接地路径的代表电路。电路中电阻元件的作用将在非常低的频率下起主导作用。
反应性元件的相对影响将随着频率的增加而增加。在某一频率下,感应电抗的大小(jωL)等于电容电抗的大小(1/jωC),电路就会发生谐振。主共振(或第一共振)的频率可由以下公式确定:
其中L为电缆总电感,C为电缆与地平面之间的净电容。在谐振时,由接地路径所呈现的阻抗将或高或低,这取决于它是平行谐振还是串联谐振。在平行谐振时,从电缆的一端看到的阻抗将远远高于R + jωL的预期值。(对于良导体,例如铜和铝,R«ωL;因此,jωL通常提供了在频率高于几百赫兹的地面导体阻抗的准确估计)。在平行共振时:
其中质量因子Q定义为:
在R(交流)为电缆在谐振频率处的电阻。然后:
在主共振之上,随后的共振(并行和串联)将发生在路径中各种可能的电感和电容组合(包括寄生)之间。接地电路中的串联谐振也会发生在线段的电感和一个或多个并联电容之间。阻抗(Z年代)为:
因此,
因此串联谐振阻抗由谐振中特定电感和电容的串联交流电阻决定,并等于该串联交流电阻。(在高阶谐振中,谐振频率是由线段而不是总路径建立的,到地路径的串联阻抗可能比考虑整个地导体长度所预测的要小)。
通过将接地导体看作传输线,可以简化对其高频行为的理解。如果地面路径沿其运行被认为是均匀的,沿线路的电压和电流可以被描述为时间和距离的函数。如果图4中的电阻元件相对于电感和电容较小,则接地路径具有特征阻抗Z0,等于√L/C,其中L和C为电感和电容的单位长度值。
图3所示的情况对设备接地尤其重要。接地路径的输入阻抗,即设备外壳看到的对地阻抗为:
式中,ß=ω√LC=传输线的相位常数
X =从盒子到短线的路径长度
当ßx小于π/2弧度时,即当电路长度小于四分之一波长(λ/4)时,短路线路的输入阻抗感应值范围为0 (ßx= 0)到∞(ßx= p/2弧度)。当ßx=的值增加超过π/2弧度时,接地路径的阻抗在其开路值和短路值之间交替循环。
因此,从接地的设备或组件的有利位置来看,阻抗类似于短路传输线所提供的阻抗。其中ßx= π/2,接地导体提供的阻抗表现为无损并联LC谐振电路。在共振之下,阻抗是感应的;正好在共振之上,它是电容性的;而在共振时,阻抗是真实的,相当高(无限在完美无损的情况下)。共振发生在x值等于四分之一波长的整数倍时,如半波长、四分之三波长等。
典型的地面网络是由Rs、Ls和Cs组成的复杂电路,具有频率相关的特性,包括并行和串联谐振。这些共振对地面网络的性能很重要。接地路径中的共振效应如图5所示。接地导体作为频率函数的相对有效性与其阻抗行为直接相关(图6)。
从图5和图6可以明显看出,为了获得最大效率,接地导体长度应该是所关注信号频率波长的一小部分。最有效的性能是在频率远低于第一个共振。
天线的特点
天线效应也与电路谐振行为有关。地面导体将作为天线来辐射或接收潜在的干扰能量,这取决于它们相对于波长的长度,即它们的效率。这一事实允许为地面导体推导波长与物理长度的比率。
导体作为天线的效率与它的辐射电阻有关。辐射电阻是对天线辐射能量的直接测量。四分之一波单极子是衡量导线性能的一个很好的指标,它的抗辐射强度为36.5 W。发射或接收比单极子低10%或更低的天线可以被认为是低效的。为了有效,地线应该是一个低效的天线。判断天线质量差的一个方便的标准,即地线质量好,是它的长度小于或等于l/10。因此,在设计有效的接地系统时,建议的目标是使暴露在潜在干扰信号中的地线的长度小于干扰信号波长的1/10。
GROUND-RELATED干扰
干扰是在电路或系统中干扰所需信号接收或产生不良反应的任何外来的电或电磁干扰。干扰可以由自然和人为来源产生,无论是外部的还是内部的电路。复杂电子设备和设施的正确操作本质上取决于系统中使用的信号的频率和振幅以及存在的潜在干扰发射。如果不需要的信号的频率在电路的工作频率范围内,电路可能会对不需要的信号做出响应(甚至可能发生在带外)。干扰的严重程度是不希望看到的信号的幅值和频率相对于在检测点希望看到的信号的幅值和频率的函数。
与地面有关的干扰通常涉及两种基本耦合机制之一。第一种机制是由于电子设备的信号电路与其他电路或设备共用地面。这种机制称为共地阻抗耦合。任何共享阻抗都可以提供干涉耦合机制。图7说明了干扰通过共地阻抗在罪犯和受害者电路之间耦合的机制。在这种情况下,通过共地阻抗Z的干扰电流I将产生干扰信号电压Vc,在受害电路中。需要强调的是,在共阻抗中流动的干扰电流可能是与罪魁祸首电路正常运行有关的电流,也可能是由于异常事件(雷电、电源故障、负载变化、电力线瞬态等)而发生的间歇电流。
即使设备对不使用信号地作为信号返回,信号地仍然可能是它们之间耦合的原因。图8说明了杂散电流I的影响R,在信号地流动。电流IR可能是另一个设备对直接耦合到信号地的结果。它可能是信号地外部耦合的结果,也可能是由入射场在地内诱发的。无论哪种情况,我R产生电压VN地阻抗ZR.该电压在相互连接的回路中产生电流,该电流反过来在Z上产生电压l因此,很明显,干扰可以通过信号地传导耦合到连接在该地非零阻抗元件上的所有电路和设备。
第二种涉及地面的EMI耦合机制是辐射机制,其中地回路如图9所示,充当接收或发射天线。对于这种EMI耦合机制,地的特性(电阻或阻抗)起不了重要作用,因为感应EMI电压(对于磁化率情况)或发射EMI场(对于发射情况)主要是EMI驱动函数(场强、电压或电流)、地回路的几何形状和尺寸以及EMI信号的频率的函数。应该注意的是,上述传导和辐射EMI耦合机制都涉及“接地回路”。然而,应该认识到,在没有与地面的物理连接的情况下,地回路EMI问题也可能存在。特别是,在射频频率下,即使电路或设备相对于地漂浮,对地分布电容也会产生接地回路条件。
此外,应该注意的是,对于涉及地回路的两种EMI耦合机制,信号引线和回波中的EMI电流在相同的方向上流动。这种EMI条件(其中信号引线中的电流和返回的电流是相的)被称为共模电磁干扰.对地回路问题有效的电磁干扰控制技术是那些减少电磁干扰耦合到地回路或提供抑制耦合到地回路的共模电磁干扰的技术。
电路、设备和系统接地
在前一节中,确定并讨论了由电路、设备和系统接地引起的EMI耦合机制。在这一点上,很明显,从最小化和控制EMI的角度来看,接地是非常重要的。然而,在许多系统级EMI问题中,接地是最不为人所知和最重要的罪魁祸首之一。系统的接地方案应实现以下功能:
- 模拟电路、低电平电路和低频电路必须具有无噪声的专用返回。由于涉及低频,通常使用电线(或多或少规定了单点或星形地面系统)。
- 模拟高频电路(无线电、视频等)必须有低阻抗、无噪声的回路,一般采用平面或同轴电缆的形式。
- 逻辑电路的返回,特别是高速逻辑,必须在整个带宽上具有低阻抗(由最快上升时间决定),因为功率和信号返回共享相同的路径。
- 强力负载(螺线管、电机、灯等)的返回应与上述任何一个不同,即使它们可能最终位于电源调节器的同一终端。
- 电缆屏蔽、变压器屏蔽、滤波器等返回机箱的路径不得干扰功能返回。
- 当电气基准与底盘地面不同时,必须存在连接和断开其中一个的供应和可访问性。
- 更一般地说,对于设备内部或系统各部分之间通信的信号,接地方案必须提供具有最小接地位移的公共参考(除非这些链路是平衡的、光学隔离的等)。最小地移意味着共模电压必须保持在链路中最敏感器件的灵敏度阈值以下。
如果它们的功能返回和保护接地被集成到如图10所示的接地系统层次结构中,则所有上述约束都可以满足。这个概念的应用是下面讨论的主题。
现代电子系统很少只有一个基础。为了减轻干扰,例如由于共模阻抗耦合,尽可能多的独立接地被使用。在经济上和后勤上可行的情况下,每个子系统的结构地、信号地、屏蔽地以及主要和次要电源地都需要单独的接地。来自每个子系统的这些单独接地最终通过最短的路径连接回系统接地点,在那里它们形成一个整体系统电位参考。这种方法被称为单点接地,如图11所示。
单点接地方案
图中所示的单点或星型接地方案避免了前一节中讨论的共模阻抗耦合问题。唯一常见的路径是在地面上(对于地基结构),但这通常由极低阻抗的实质导体组成。因此,只要没有或低地电流流过任何低阻抗公共路径,所有子系统或设备基本上保持在相同的参考电位。
实现上述单点接地方案的问题是:(1)使用互连电缆,特别是电缆屏蔽长度为波长的1/20数量级或更大的电缆,(2)子系统或设备外壳之间或子系统与其他子系统的接地之间存在寄生电容。这种情况如图12所示。
在这里,电缆屏蔽将一些子系统连接在一起,以便从特定的子系统到接地点存在多条接地路径。除非采取预防措施,否则共阻抗地电流可能会流过。在高频时,寄生电容电抗代表低阻抗路径,子系统到地点的键合电感导致更高的阻抗。因此,子系统之间可能会产生共模电流或不平等电位。
多点接地方案
与图12所示不受控制的情况不同,另一种接地方案是多点接地,如图13所示。对于图13所示的示例,每个设备或子系统都尽可能直接连接到公共低阻抗地平面,以形成均匀的低阻抗路径。因此,共模电流和其他EMI问题将被最小化。接地平面然后为安全目的而接地。
接地方案选择
事实是,单点接地方案在低频时工作得更好,多点接地方案在高频时工作得最好。例如,如果整个系统是一个音频设备网络,其中许多低级传感器和控制电路充当宽带瞬态噪声源,那么高频性能就无关紧要了,因为在音频以上没有受体做出反应。
在这种情况下,单点地面是有效的。相反,如果整个系统是一个由30到1000 MHz调谐器、放大器和显示器组成的接收机综合体,那么低水平的低频性能就无关紧要了。此处采用多点接地,采用同轴电缆互连。
上述音频与VHF/UHF系统的比较清楚地说明了正确方法的选择。然后,问题缩小到定义任何给定子系统或设备的低频和高频交叉存在的位置。这里的答案部分涉及到低层电路相对于最远位置设备之间的物理距离的最高显著工作频率。交叉频率区域的确定涉及到考虑(1)磁场与电场耦合问题和(2)由于分离引起的地平面阻抗问题。混合单点和多点接地系统通常是跨区域应用的最佳方法。
当使用印刷电路和集成电路时,网络接近度相当近。因此,多点接地更经济和实用的生产每卡,晶圆,或芯片。这些组件通过晶圆隔水管、主板等进行互连时,应采用前几段所示的接地方案。
这可能仍然代表多点或混合接地方法,其中任何单点接地(用于混合接地),如果使用,将避免低频接地电流环路和/或共模阻抗耦合。总之,许多系统级的电磁干扰问题可以通过仔细注意所使用的接地方案来避免。共模共地阻抗问题可以通过应用下列一种或多种技术来减少。
- 如果可能的话,使用单点接地(图11)消除公共阻抗。这种配置通常适用于300khz以下的电源频率和信号频率。
- 如图10所示,根据信号类型、电平和频率分离和隔离接地。
- 如图14所示,通过使用接地母线、接地平面或接地网来减小接地阻抗。
- 如图15所示,从安全角度考虑,浮子电路或设备是可行的。浮动电路或设备的有效性取决于它们与其他导体的物理隔离。在大型设施中,很难实现浮动系统。
- 在接地连接中使用电感或电容器分别提供高频或低频隔离,如图16和17所示。
- 在接地回路中使用滤波器或铁氧体来限制共模电流或提供共模压降。
- 使用如图18所示的共模扼流圈或如图19所示的共模隔离变压器来抑制地回路电磁干扰。这些器件可以在高达几百千赫兹的频率上提供约60 dB的共模抑制。
- 使用光学隔离器和/或光纤来阻止共模EMI效应,如图20所示。光隔离器在频率达到并包括HF波段(即3至30 MHz)时提供了高度的共模抑制。光隔离器通常仅限于数字应用(不适用于低级模拟电路)。
- 如图21所示,使用平衡电路来最小化地回路中共模EMI的影响。在一个完美平衡的电路中,在电路的两个部分流动的电流将在负载上产生相等而相反的电压,因此在负载上产生的电压为零。平衡电路可以在低频条件下提供显著的共模降低(大于20 dB)。然而,在更高的频率(30 MHz以上),其他效应开始占主导地位,平衡电路的有效性降低。
由地面回路辐射或接收的辐射产生的共模辐射EMI效应可通过应用以下一种或多种技术来降低:
- 尽量减小共模接地回路的面积,将相互连接的导线或电缆就近布线。
- 通过浮动电路或设备降低共模地回路电流;使用光学隔离器;或者插入共模滤波器、扼流圈或隔离变压器。
- 使用平衡电路或平衡驱动器和接收器。
地面系统配置
系统或设施内电路集合的接地系统可以采用几种不同配置中的任意一种。这些配置中的每一种在某些条件下都是最优的,而在其他条件下可能会导致EMI问题。一般来说,地面配置将包括浮动地面、单点地面、多点地面或这些地面的混合组合。
浮动地面配置如图22所示。这种类型的信号接地系统与地面和其他导电物体绝缘。因此,存在于地面系统中的噪声电流不会传导耦合到信号电路。浮动接地系统概念也应用于设备设计中,以隔离设备机柜的信号返回,从而防止机柜中不需要的电流直接耦合到信号电路。
浮动地面系统的有效性取决于它们与附近其他导体的真正隔离;浮动地面系统必须是真正的浮动。在大型设施中,通常很难实现和维持有效的浮动系统。如果涉及到几个电路或几件设备,并且电力来自电池或dc-to-dc转换器,这种浮动系统是最实用的。
设备综合体的单点接地如图23所示。通过这种配置,信号电路被引用到一个单点,然后这个单点连接到设施地面。理想的单点信号接地网络是这样一种网络,在这种网络中,分离的接地导体从设施地面上的一点延伸到位于整个设施的众多电路中的每一个的返回端。这种类型的地面网络需要大量的导体,通常在经济上是不可行的。采用不同程度的近似单点接地代替理想接地。
图24所示的配置表示通常用于提供近似于单点接地概念的接地母线排列。图24所示的地面总线系统采用树的形式。在每个系统中,各个子系统都是单点接地。然后,每个系统接地点用一个绝缘导体连接到树地总线。
单点接地实现了信号电路接地的三种功能。也就是说,在每个单元或设备中建立一个信号基准,并且这些单独的基准连接在一起。反过来,它们至少在一点上连接到设施地面,这为电路提供故障保护,并对静电荷积聚进行控制。
单点结构的一个重要优点是它有助于控制导电耦合干扰。如图23所示,信号地网络避免了噪声电流的封闭路径,设施地系统中的干扰电流或电压通过信号地网络不导电耦合到信号电路中。因此,单点信号地面网络最大限度地减少了可能在设施地面流动的任何噪声电流的影响。
在大型安装中,单点接地配置的一个主要缺点是需要长导线。除了价格昂贵之外,长导线由于自身阻抗大而无法实现较高频率的满意参考。此外,由于导体之间的杂散电容,随着信号频率的增加,单点接地基本上不存在。一般来说,对于典型的设备、系统或设施,单点接地往往最适合低于约300 kHz的频率。
图25所示的多点接地是信号接地网络常用的第三种配置。这种配置为设备内的各种电子系统或子系统建立了许多导电路径。在每个子系统中,电路和网络有多个连接到这个地面网络。因此,在一个设施中,多点接地网络中的任意两点之间存在许多平行路径。
多点接地常常简化复杂设备内部的电路结构。它允许使用同轴电缆的设备更容易连接,因为同轴电缆的外部导体不需要相对于设备机柜或外壳浮动。
然而,多点接地有一个重要的缺点。流过设施地面系统的功率电流和其他高幅值低频电流可以导电耦合到信号电路中,在易受影响的低频电路中产生不可容忍的干扰。此外,创建了多个地回路,这使得更难以控制辐射发射或由共模地回路效应引起的磁化率。此外,为了使多点接地有效,分离点之间的所有接地导体必须小于0.1波长的干扰信号。否则,共地阻抗和地辐射效应将变得显著。一般来说,多点接地配置在较高频率(即30mhz以上)时趋于最佳。
为了说明混合地面系统的一种形式,图26显示了一个19英寸的机柜机架,包含五个独立的滑动抽屉。每个抽屉都包含系统的一部分(从上到下):(1)用于接收微波信号的RF和IF前置放大器电路,(2)IF和视频信号放大器,(3)显示驱动器,显示器和控制电路,(4)用于记录敏感的多通道,硬线路遥测传感器输出的低级音频电路和记录器,以及(5)次要和稳压电源。混合方面源于:
- RF和IF视频抽屉是类似的。在这里,单元级盒或级台(两端同轴电缆相互连接接地)在抽屉-机箱地平面上进行多点接地。然后将机箱接地到匕首引脚,机箱接地母线如图27所示。另一方面,这些抽屉的电源接地使用其总线上的单点接地,其方式与音频抽屉相同。
- 机箱或信号接地、电源接地母线各组成一个到抽屉级的多点接地方案。单独的接地母线在底层配电块单点接地。这避免了机箱或信号地与电源地之间的共模电流循环,因为在某些设备运行模式下,电源地电流会因暂态浪涌而变化。
- 不同抽屉层之间的互连电缆应分开走线,其护罩的接地方式与抽屉层相同。
- 如图27所示的音频和显示抽屉对它们的单元级盒子(相互连接的绞线在其单元的一端接地)和电源引线使用单点接地。电缆和单元屏蔽都在公共短针母线处一起接地。类似地,输出电源引线和扭曲返回分别连接在其匕首销母线上。
回顾上述方案,我们注意到以下几点:
- 音频和显示抽屉的接地距离约为0.6米,最高工作频率约为1mhz(驱动器和扫描电路)。因此,单点接地的打击销是指示。
- RF和IF抽屉处理超高频和30 MHz信号超过一米的距离,以便多点接地。
- 稳压电源供给有暂态浪涌需求的设备单元。最长约1.5 m,显著的瞬态频率分量在高频区向上延伸。在这里,混合接地是指:一个抽屉内的单点接地和从电源母线到所有抽屉的多点接地。
电磁干扰控制装置与技术“,
某些电磁干扰控制技术或设备的性能可能会受到接地的显著影响。特别是电缆护罩;隔离变压器;EMI过滤器;防静电、雷电和EMF保护技术;法拉第屏蔽必须正确接地,以提供最大限度的电磁干扰保护。与这些电磁干扰控制技术或设备相关的具体接地考虑的详细讨论超出了本书的范围。然而,重要的是要强调接地对这些技术或设备性能的重要性,详细信息可以在参考文献中找到。
建议阅读资料
[1]莫里森,拉尔夫和w·h·刘易斯,设施的接地和屏蔽,霍博肯,新泽西州:约翰威利父子,1990年。
莫里森,拉尔夫,仪器仪表中的接地和屏蔽技术,第三版,霍博肯,新泽西州:约翰·威利父子,1990年。
[3]丹尼,休W,电磁干扰控制接地干涉控制技术有限公司
电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽,MIL-HDBK-419。