这个问题
为了满足与电子设备相关的各种电磁兼容性(EMC)标准,需要有哪些bonding和接地要求?
几天前我收到了这个问题,很快就意识到快速简单的回答是不可行的,因为我实际上不知道涉及什么样的设备类型,也没有关于应用程序的信息。我越想这个问题,考虑的因素就越复杂,我意识到这种方法取决于具体情况。
我们EMC社区中的大多数人都是在2.5毫欧姆的共同概念中长大的,这个概念已经深入到我们的脑海中,而没有关于这个神奇数字适用于何处的其余陈述。许多人认为,为了达到合规性,我们必须使从任何一点到安装连接的电压小于2.5毫姆。我们已经被推向测试配置的目标,而没有考虑设备安装时的实际连接情况,因此测试配置无法符合预期。更糟糕的是,当字段项出现问题时,解决方案是修复安装。
我们必须认识到,遵从性测试应该近似于实际的安装,以确定是否需要更改。MIL-STD-461G在这个方向上迈出了一大步,它指定为测试配置进行各种粘接测量,以验证粘接是具有代表性的安装。没有建立值(除了地平面到外壳和LISN到地平面),以支持确认安装属性已经模拟。即使有了这样的改变,由于教育方式的原因,经验丰富的权威人士经常会推动通过多个连接实现2.5毫欧姆的古老目标。
我们的目标
接地的目的是提供一个电气连接到一个共同的参考(通常认为是地球),以减少潜在的电位差,使冲击危险和噪声电压出现。地面应:
- 建立导雷通道,保护设施、人员和设备。
- 将可接触点的电压水平降低到非危险水平,包括故障情况和闪电放电事件。
- 通过减少信号电路的源端和目的端的电压差来支持噪声控制。
许多指南都提供了以地球为参考点的接地信息,我认为这在考虑设施时是正确的。但是,飞机、交通工具、轮船、宇宙飞船和手持物品呢?在这些情况下,地面成为一个简单的参考点,我们愿意相信,当参考我们的身体时,地面是0伏。
T要实现这个0伏地,点之间的电阻必须没有电阻(或阻抗),这是不现实的。导体具有沿导体分布的电阻,为了增加更多的电阻,每个导体结都有电阻,因此连接电阻需要最小以达到0伏电位差。我们可以清楚地看到,接地和键合是直接相连的,然而,键合也适用于带电电路连接,以防止沿路径的电压下降。保持最小的键合阻抗可以防止电流在导体路径中流动时产生电压。
这篇综述并不是为了成为一份设计指南,提供关于多少,多长,多大,多紧,以及许多其他必须确定的建立有效可行的地面系统的元素的细节。由于地面系统有很多用途,我只想看看需要考虑的事情,以及它们如何影响地面系统的其他目标。必须设计一个满足既定目标的有效的地面系统,而不是靠运气,也不是仅仅通过连接导体来进行地面连接。
电气安全
接地通常用于提供一种保护手段,防止在各种故障条件下可能发生的电击危险。许多电气设备法规包括要求提供这种保护手段,尽管许多情况下,如果接地不合理,则使用另一种保护手段。
在存在危险电压的情况下,接地的阻抗很低,接地点不能有可能引起人体电击的电位。
什么需要接地?在故障状态下可能带电的可接触导体。例如,金属设备机柜因振动导致压接端子耳脱落,暴露在外的无约束电线接触机柜而带电。设备停止工作,因为电线是主要的电源引线,如果安全接地不存在,技术人员将要维修的项目在接触机箱时成为接地导体。如果安全接地连接正确,则馈电线路的断路器跳闸,使设备断电。
让我们更深入地研究一下这个安全地基的设计。通常提供一个机箱连接点,该连接点可能是交流电源线中连接到出口接地引脚的第三根线。该连接的组装方式应使该连接成为与机箱的第一个连接,并且它独立于使用防旋转硬件的其他接地连接(参见图1).例如,电源线进口接头的第三根线接在机箱上的机箱保护接地端子上,并在该接点上无其他端子固定。这并不是说必须排除其他终端,只是说它们是单独安全的。不要忘记,如果使用压接端子耳,有双重压接点。
导线尺寸必须能够传导最大故障电流。那么需要多少容量呢?如果电源线是永久连接的,第三根线必须等于相线,假设相线将在接地线燃烧开时燃烧开。但是,更一般地说,我们是将相位引线熔断(从不熔断安全接地)以确保。如果电线是可拆卸的,必须假定电线可以与另一个可能有不同规格的电线最初供应交换。在这种情况下,我们依靠设备断路器。通常为普通插座提供15或20安培的电路,因此线规需要支持正常情况。为了满足这种接地需求,经常选择12 AWG线作为接地螺栓的入口,以满足该容量。记住颜色(绿色/黄色)满足代码。
粘合要求是什么?大多数标准要求安全连接的电阻小于100毫欧姆,表示保护接地端子与设施(平台)接地之间的电阻。让我们检查路径键合,并确定哪些键合点将适用于可拆卸的交流电源线。显示的终端图1(地螺柱)与金属底盘有粘结结;到固定的端子耳上;所述端子耳与所述导线有双压接;所述导线长度约为10厘米,将设备交流进口插头连接到一个安装在进口上的快速连接耳上;入口连接销连接电源线,电源线长约1.8米;到设备交流插座端子。地线路径包括6个结点和1.9米长的电线。14awg线1.9米的电阻约为63毫欧姆,6个连接点的电阻略低于40毫欧姆,或每个连接点约6毫欧姆。除非我们不考虑路径上的污染或任何松散连接,否则获得这种结(键)电阻并不困难,但它确实提供了对良好连接的需求的见解。
请记住,还有其他与安全相关的连接点,如门、抽屉滑道和底盘面板,可能需要确保接地。请注意,我使用了“有保证的”—不仅仅是一个偶然的接触,它可能或可能不提供与地面的有保证的连接。
闪电
接地提供了与诱发雷击事件相关的一定程度的安全性以及设备损坏保护。上述电气安全要求包括通过地面系统的雷电瞬态传导。雷电诱发的瞬态电流可能从外部电缆、天线接口或电源线进入设备,其中瞬态保护元件可能将雷电电流分流到设备地面或设备机箱,并将保护接地导体分流到接地连接。在潜在的击电流进入设施或平台的地方,通常采用防雷措施,以减少直接或附近直接击造成极端危险的风险,但设备地面系统应控制诱导瞬态电平。
作为地面的一个组成部分,布线和连接受到与诱导闪电有关的高压和电流瞬变的影响,这些瞬变可能会诱导进入设施的布线。由电力线传导的瞬态(见图2)耦合到设施内的配电系统中,其中抑制器限制电压和电流,设备接地系统将瞬态从设备转移。接地线路绝缘需要支撑整个接地系统产生的雷击诱发的高暂态电压。这种能力是通过外部连接和接地系统之间所需的Hi-Pot测试来评估的,其中施加了高电压,并且要求不电弧到接地系统(注意,在Hi-Pot测试期间暂态抑制器断开)。根据电路参数的不同,击穿电压测试等级可达10千伏。
对设施的雷电保护系统的直接打击为电流提供了一个下行导体,具有短时间的瞬态事件的大电流。在下行导体中流动的瞬态电流可能会诱导电流进入设施布线,类似于电力线传导。相对而言,这些瞬态通常限制在几伏到低千伏水平,但如果发生击穿,电流可能是显著的。如果下导体阻抗高,在允许40 kA或更多瞬态电流通过下导体的附着点出现100-200 kV的电压水平时,感应显著增加。此外,该事件发生为多冲程事件,在几毫秒内发生多达20次冲程。瞬态上升时间通常约为2ms,因此下导体电感成为与几100s kHz频率相关的总体阻抗的重要因素。
为防雷系统提供接地要求我们考虑影响性能的许多方面。导体必须具有电流处理能力,以处理与欧姆(I2R)与事件相关的功耗,包括正在进行的电流和没有恢复时间的多次打击事件。结合必须防止高电阻连接,忍受环境影响和热膨胀和收缩,恶化的债券。过渡时间表明蒙皮深度问题需要考虑管理导体的整体电抗。
请记住,闪电事件强调了控制措施的能力,我们经常没有意识到各种元素已经损坏,不再有效。我们还必须考虑闪电附件并不总是选择最高点(见图3).
电磁兼容性(EMC)
接地通常与许多EMC控制措施有关,其中接地质量与屏蔽、滤波器性能有关,并为干扰到达敏感电路提供耦合路径。我们通常应对的频率高于安全或防雷措施遇到的频率。
在设备级别上,信号需要电流回路的返回路径,因此当电路需要电流时,它必须支持电流返回到源。提供几种“地”连接类型来隔离电路(如数字电路和模拟电路)是很常见的。但我们不能忘记,我们需要到达公共点,以终止与所有电路相关的寄生电路。在设计回接和接地时,这种布置使回路面积最小化,以减少电流在无中断或间断的情况下流动的电路辐射平面。
滤波器通常需要建立一个接地路径来分流进入或离开设备的噪声电流(参见图4).若键合阻抗(ZB)较大时,噪声将通过线对地电容馈送,这取决于电路的频率性能。这通常要求每个结提供一个非常低的电阻和整体阻抗远小于馈通阻抗。注意,需要低阻抗,因此必须考虑整个路径的感抗和寄生电容,以满足目标。
EMC接地通常要求在高频率下具有良好的性能,因此考虑导体蒙皮深度成为接地方案的一个因素。集肤效应允许信号返回从同轴电缆中的屏蔽分离,其中信号返回电流在内表面,噪声电流在外表面流到同轴壳端,如所示图5.集肤深度效应可用于选择接地带,我们经常选择长宽比较低的接地带以减少电感。蒙皮效应允许我们使用空心管而不是酒吧,以增加灵活性在路由带。扁平的管子可以发挥作用,正常的圆角有助于减少来自导体的辐射。皮带必须有足够的容量处理电流在较低频率的安全方面的设计。
屏蔽层需要接地,通过提供辐射场阻抗不匹配来增强屏蔽效果。不接地的屏蔽层通常就像天线一样,从地面辐射信号。例如,未绑定到机箱的机箱门可以以这种方式起作用。在门和机箱之间使用电线连接可以提供低电阻,满足安全要求,但如果阻抗过大,高频可能会辐射。完全粘在门框周围可以降低这种风险。
我觉得这里应该提到2.5毫欧姆的流言。多年来,要求接地系统有小于2.5毫欧姆的电阻。这被广泛地解释为底盘上的任何点都应该测量到小于2.5毫欧姆的设备/地平面。MIL-STD-461G试图解决这个误解,但它仍然是一个问题。MIL-STD-461G包括测量地面电阻的要求,并在报告中提供测量结果,但不定义具体数字。MIL-STD-464C提供了一些特定的电阻测量要求,但只有2.5毫欧姆的要求是针对单个故障连接。我们需要确保EMC社区实现使用人工地面电阻测量的测试,以促进实现相同电阻的安装需求。真正的目标是提供代表安装的接地电阻/阻抗。然后是额外的接地需要遵守,安装必须协调提供所需的终止。
总结
接地和跨接必须满足所有要求的目标——EMC接地方案需要根据需要包括安全要求和防雷保护。要实现所有的目标,不仅仅是建立一个电子连接。尺寸、连接、频率响应、整体阻抗、物理约束和安装环境必须是设计的一部分。
我记得有一款产品在测试期间对原始产品进行了一些修改,从而获得了合规性。为了支持制造,我有机会为自动连接器放置布局背板。因为我无论如何都在做布局,我重做了电路板地面布局,以更好地支持EMC控制。组件没有变化,但仅对地面方案的更新,EMI辐射发射就减少了17 dB以上,设备接收机灵敏度提高了10 dB,这是操作性能的重大变化。
接地和粘接绝不能靠运气——这些因素对性能和合规性有重大影响。如果在设计的早期考虑,控制可以与较小的成本影响相结合,特别是与修改成熟设计的成本相比。
这篇综述只是对粘接和接地的一个概述,细节将填满一个大的文本,以考虑许多实现目标的例子。许多规定都指向特定的因素,如电线的尺寸,接地棒的深度和直径,以及其他因素。但是,如果监管要求也得到满足,则可以使用替代方法来支持其他需求。
如果安装正确,不要忘记电流的流向。屏蔽外壳与设备地面的连接应在电流远离敏感面板的墙上完成。这一理念适用于设备设计,将电流输送到你想要的地方。
如果您有一个与EMC相关的主题想要回顾,请告诉我,我将尝试把它放在以后文章的队列中。beplay官方免费下载