傳導(dǎo)性電磁干擾噪聲抑制接地技術(shù)

一、安全接地與信號(hào)接地

1、安全接地

安全接地又可稱為保險(xiǎn)接地，與信號(hào)接地的目的不同。它是將電氣設(shè)備的外殼，利用低阻抗導(dǎo)體連至大地，以使人員意外觸及時(shí)，不易發(fā)生危險(xiǎn)。下圖中的Z1為電位U1所在點(diǎn)與機(jī)殼之間的漏電阻，Z2為機(jī)殼與地之間的漏電阻。

機(jī)殼的電位是由Z1與Z2的阻值來(lái)決定的，故機(jī)殼電位為：

此時(shí)機(jī)殼電位可能相當(dāng)高，且其值取決于Z1與Z2的大小。若Z2大于Z1很多時(shí)，機(jī)殼的電位將接近U1的值，就會(huì)有電擊的危險(xiǎn)。

若機(jī)殼做了接地設(shè)計(jì)，即Z2=0，U機(jī)殼應(yīng)為0。此時(shí)人若觸及已接地的機(jī)殼，因人體的阻抗遠(yuǎn)大于0，則大部分電流將經(jīng)接地線流入地端，因此不會(huì)有電擊的問(wèn)題。

下圖所示為較危險(xiǎn)的情況，其中顯示了帶有熔絲的交流電力線引入封閉機(jī)殼的情況。

如果電力線觸及機(jī)殼，機(jī)殼能提供熔絲所能承受的電流至機(jī)殼外。若人員觸及機(jī)殼，電力線的電流將直接經(jīng)人體進(jìn)入地端。如果實(shí)施了接地措施，當(dāng)發(fā)生絕緣擊穿或電力線觸及機(jī)殼時(shí)，會(huì)因接地而使電力線上有大量電流流動(dòng)而燒掉熔絲，使機(jī)殼不再帶電，而不會(huì)有電擊的危險(xiǎn)。

2、信號(hào)接地：?jiǎn)吸c(diǎn)與多點(diǎn)接地

除安全接地外，另一種典型的接地是信號(hào)接地，它允許信號(hào)電流返回信號(hào)源。雖然設(shè)計(jì)者們希望信號(hào)通過(guò)所設(shè)計(jì)的路徑返回信號(hào)源，但并不能保證這一定會(huì)發(fā)生。實(shí)際上，一個(gè)信號(hào)的一些頻譜分量會(huì)通過(guò)一條路徑返回信號(hào)源，而同一信號(hào)的其它頻譜分量可能通過(guò)另一條路徑返回信號(hào)源，接地平面上的屏蔽電纜就是一個(gè)很好的例子。低于屏蔽接地電路截止頻率的頻譜分量將沿接地面返回，而高于截止頻率的那些頻譜分量將沿屏蔽層返回而不是沿接地平面返回。在信號(hào)接地的情況下，考慮電流流過(guò)的路徑是很重要的，這些路徑的高頻阻抗主要是感性的，如果它們接地，在其兩端會(huì)具有較小的壓降，那么必須使這個(gè)感性阻抗最小。

關(guān)于信號(hào)接地的方案基本上有兩種：?jiǎn)吸c(diǎn)接地系統(tǒng)和多點(diǎn)接地系統(tǒng)。

（1）單點(diǎn)接地系統(tǒng)指的是子系統(tǒng)的地回路僅與該子系統(tǒng)內(nèi)的單點(diǎn)相連。使用單點(diǎn)接地系統(tǒng)的目的就是為了防止兩個(gè)不同子系統(tǒng)中的電流共享相同的回路返回，從而產(chǎn)生共阻抗耦合。下圖所示為典型的單點(diǎn)接地的實(shí)現(xiàn)原理，3個(gè)子系統(tǒng)具有相同的信號(hào)源。

（a）串聯(lián)連接中的共阻抗耦合

（b）地線和單點(diǎn)接地系統(tǒng)間的無(wú)意耦合

圖（a）所示的方法稱為“串級(jí)鏈”或串聯(lián)法，這種方法很明顯會(huì)在兩個(gè)子系統(tǒng)的接地之間產(chǎn)生共阻抗耦合。

當(dāng)必須知道的電流回路可以確定時(shí)，圖（b）所示的并行連接是理想的單點(diǎn)接地法。然而，它有一個(gè)很大缺點(diǎn)，那就是單個(gè)的接地線阻抗將取決于這些連線的長(zhǎng)度。在分布系統(tǒng)中，如果嚴(yán)格服從單點(diǎn)接地系統(tǒng)的原理，那么連接線可能需要很長(zhǎng)，這樣接地線可能有很大的阻抗，而消除了它們的正面效應(yīng)。而且，這些導(dǎo)線上的回路電流有可能向其它接地導(dǎo)線進(jìn)行有效輻射，并在子系統(tǒng)之間產(chǎn)生耦合，類似于串?dāng)_，因而產(chǎn)生了輻射發(fā)射依從性問(wèn)題。而這發(fā)生的程度取決于回路信號(hào)的頻譜分量（高頻分量將比低頻分量產(chǎn)生更有效的輻射和耦合。因此單點(diǎn)接地原理并不是普遍適用的理想接地原理，因?yàn)樗钸m合低頻子系統(tǒng)。

（2）另一種接地系統(tǒng)類型是多點(diǎn)接地系統(tǒng)，如下圖所示：

（c）多點(diǎn)接地理想情況

（d）多點(diǎn)接地原理中存在的問(wèn)題說(shuō)明

典型地，一個(gè)大導(dǎo)體（通常為接地平面）在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中作為信號(hào)的回路。在多點(diǎn)接地系統(tǒng)中，子系統(tǒng)的各個(gè)地分別與接地導(dǎo)體在不同點(diǎn)相連。多點(diǎn)接地系統(tǒng)優(yōu)于單點(diǎn)接地系統(tǒng)的原因是連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度可能較短，因?yàn)橛幸粋€(gè)較近的接地點(diǎn)。但這又是假設(shè)了接地點(diǎn)之間所考慮的頻點(diǎn)上阻抗為0或至少非常低，而這并不是正確的。如果上圖（c）所示的接地平面被PCB上的一條長(zhǎng)而窄的帶狀線所替代，那么如果沿該帶狀線上各點(diǎn)連接子系統(tǒng)的地，則可以認(rèn)為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)接地，而事實(shí)上這更類似于串聯(lián)連接的單點(diǎn)接地系統(tǒng)。

多點(diǎn)接地系統(tǒng)的另一個(gè)問(wèn)題可能是通過(guò)接地導(dǎo)體的其它電流沒(méi)有被注意。例如，假定“接地面”（其子系統(tǒng)為多點(diǎn)接地）上有意地存在其它電流或通過(guò)它的環(huán)境電流。如圖（d）所示的例子中，與其它數(shù)字電路的PCB相同，包含直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)所需要的+38V直流電源和激勵(lì)數(shù)字電路所需的+5V直流電源通過(guò)連接器供給PCB。假設(shè)這些電路都在PCB上的一個(gè)公共地網(wǎng)上接地。作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)，電動(dòng)機(jī)電路的高頻電流將通過(guò)該接地面，在接地網(wǎng)的兩點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生大的高頻電壓。如果數(shù)字邏輯電路也以多點(diǎn)的形式接到接地網(wǎng)上，那么由電動(dòng)機(jī)回路電流在接地網(wǎng)上產(chǎn)生的電壓可能會(huì)耦合進(jìn)數(shù)字邏輯電路，使它的性能產(chǎn)生問(wèn)題。另外，假設(shè)一個(gè)信號(hào)在PCB上的線路經(jīng)過(guò)一個(gè)在PCB反面的電源連接器，那么，在信號(hào)電纜中的接地導(dǎo)線將被嘈雜的的接地系統(tǒng)的變化電位所激勵(lì)，有可能產(chǎn)生輻射而導(dǎo)致輻射（或傳導(dǎo)）發(fā)射問(wèn)題。

典型地，單點(diǎn)接地系統(tǒng)應(yīng)用于模擬子系統(tǒng)中，其中包括低電平信號(hào)。在這些情況下，毫伏甚至是微伏的接地電壓降都能在這些系統(tǒng)中造成重大的共阻抗耦合干擾問(wèn)題。單點(diǎn)接地系統(tǒng)通常也用于高電平子系統(tǒng)中，如電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這是為了防止這些高電平回路電流在公共接地網(wǎng)上產(chǎn)生大的壓降。另一方面，數(shù)字系統(tǒng)本質(zhì)上具有抗外部噪聲的性能，然而它對(duì)內(nèi)部噪聲相當(dāng)敏感，通過(guò)公共阻抗耦合被內(nèi)部噪聲所干擾。為了使這種公共阻抗耦合最小，數(shù)字系統(tǒng)中的接地系統(tǒng)趨向于多點(diǎn)接地，采用大的接地平面，如在PCB內(nèi)層的地面或是諸如接地網(wǎng)等，將大量交替的接地路徑并聯(lián)放置，因而降低回路的阻抗。在接地回路附近放置信號(hào)導(dǎo)線是很重要的，因?yàn)檫@樣也可以降低回路的阻抗。

（3）其它類型的接地系統(tǒng)稱為混合接地系統(tǒng)，就是上述兩種接地系統(tǒng)在不同頻段組合。下圖所示為可選擇的實(shí)現(xiàn)屏蔽接地并避免低頻耦合的方法。

實(shí)現(xiàn)低頻時(shí)單點(diǎn)接地、高頻時(shí)避免“地環(huán)路”而將屏蔽層兩端接地的方法

如果電纜包含有兩層屏蔽層，內(nèi)屏蔽層與參考導(dǎo)體的一端相連，而屏蔽外層與參考導(dǎo)體的另一端相連，那么在兩層屏蔽層之間不存在低頻連接，這樣可以避免由參考導(dǎo)線上流過(guò)的電流產(chǎn)生的共阻抗耦合問(wèn)題。然而兩屏蔽層之間的寄生電容（寄生電容由于兩屏蔽層是同心的而相當(dāng)大）在屏蔽層之間提供了一個(gè)高頻連接，這樣屏蔽層就能有效地與參考導(dǎo)體的兩端相連。這是混合接地系統(tǒng)的頻選接地機(jī)理。下圖描述了兩種實(shí)現(xiàn)混合接地的其它方案：

低頻時(shí)單點(diǎn)接地和高頻時(shí)多點(diǎn)接地?

高頻時(shí)單點(diǎn)接地和低頻時(shí)多點(diǎn)接地

典型的系統(tǒng)要求有兩三個(gè)獨(dú)立的接地系統(tǒng)，如下圖所示：

獨(dú)立接地系統(tǒng)理想安排

低電平信號(hào)（電壓、電流、功率）子系統(tǒng)應(yīng)該與專門的單獨(dú)接地點(diǎn)相連，這個(gè)接地點(diǎn)就是?“信號(hào)地”。在這個(gè)信號(hào)接地子系統(tǒng)中，電路采用單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地或者混合接地方式。??????????

第二種類型的接地系統(tǒng)指的是噪聲接地系統(tǒng)，噪聲接地系統(tǒng)代表了工作于高電平和產(chǎn)生噪聲類信號(hào)的電路。在一種情況下信號(hào)被認(rèn)為是噪聲，在另一種情況卻不是。例如，數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的高頻分量在符合規(guī)定的限值或干擾其它子系統(tǒng)時(shí)被認(rèn)為是噪聲，雖然它們是有用信號(hào)必要的頻譜成分。另一方面，直流電動(dòng)機(jī)的電刷電弧則是真正的噪聲，它對(duì)于電動(dòng)機(jī)的功能而言并不是必要的。

下圖為包含數(shù)字電路、模擬電路和噪聲、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的PCB。噪聲電路的地與PCB的連接器做專門的連接，以防止高電平回流電流通過(guò)模擬或數(shù)字接地系統(tǒng)。同樣，數(shù)字和模擬電路也有專門的接地回路與連接器相連。注意模擬接地系統(tǒng)中的接地（一個(gè)信號(hào)地）實(shí)質(zhì)上是單點(diǎn)接地系統(tǒng)，而數(shù)字接地系統(tǒng)中的接地（另一個(gè)信號(hào)地）實(shí)質(zhì)上是多點(diǎn)接地系統(tǒng)。

PCB上地線系統(tǒng)的布局

理解為什么需要這些不同或獨(dú)立接地系統(tǒng)的關(guān)鍵，在于了解它們的目的是防止共阻抗耦合。如果允許高電平噪聲從電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路傳輸?shù)阶鳛閿?shù)字回路的導(dǎo)體上，這些高電平電流將在提供給數(shù)字電路的公共回路上產(chǎn)生壓降，這就有可能導(dǎo)致數(shù)字電路的功能發(fā)生問(wèn)題。區(qū)分低電平和高電平回路是很重要的，因?yàn)榛芈冯娏鞣仍酱?，公共阻抗上的壓降也就越大。幾個(gè)不同的低電平電路可能共同一個(gè)回路而不互相產(chǎn)生干擾，因?yàn)樵诠驳鼐W(wǎng)上產(chǎn)生的共阻抗耦合壓降沒(méi)有大到足以產(chǎn)生干擾。在分開的接地系統(tǒng)中不僅信號(hào)電平很重要，它們的頻譜也很重要。一些支路在它們的輸入端包含內(nèi)在的濾波，因此如果噪聲的頻譜落在電路輸入濾波的通頻帶之外，那么加在輸入端的高電平噪聲信號(hào)就不會(huì)產(chǎn)生干擾問(wèn)題。數(shù)字電路趨向于有著非常寬的輸入頻帶，這樣就不存在選頻保護(hù)。另一方面，諸如比較器等模擬電路由于運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間而具有一定程度的高頻濾波。但是寄生現(xiàn)象可以削弱這種作用。硬件接地通常是與其它接地分開，目的也是為了避免共阻抗耦合問(wèn)題。60Hz的高電平信號(hào)和ESD（靜電放電）信號(hào)一樣，可以通過(guò)這個(gè)接地面。不在硬件接地和其它接地之間提供連接是很重要的，特別是信號(hào)接地，這樣由ESD信號(hào)轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的壓降不會(huì)在信號(hào)接地系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生噪聲變化的點(diǎn)。

3、硬件接地：即與底板、機(jī)座、機(jī)殼、設(shè)備機(jī)架等相連。硬件接地并不是以運(yùn)載電流為目的，而是被用在發(fā)生故障或轉(zhuǎn)移ESD信號(hào)的情況下。

下圖是一個(gè)分開的接地系統(tǒng)連接后可能產(chǎn)生問(wèn)題的例子。

具有單個(gè)機(jī)殼的系統(tǒng)的接地

兩個(gè)機(jī)殼或支架構(gòu)成系統(tǒng)，它們的硬件接地總與公共接地點(diǎn)相連，這些機(jī)殼也連接在一起，以防止在它們之間由于ESD電流流過(guò)之類的情況而產(chǎn)生電位差。一個(gè)機(jī)殼內(nèi)的兩個(gè)PCB將它們的信號(hào)接地連接在一起，但通常來(lái)說(shuō)將信號(hào)接地與機(jī)殼相連是不正確的，因?yàn)樯鲜龅腅SD可能會(huì)使信號(hào)地隨之發(fā)生變化。然而，在一些情況下為了防止ESD問(wèn)題而可能有必要將這些地連接在一起。機(jī)殼和內(nèi)部電路之間的寄生電容和寄生電感可能使接地系統(tǒng)的高頻性能大大地偏離理想狀態(tài)。因此，電路應(yīng)盡可能從物理上相互隔離并且與機(jī)殼隔離，以避免高頻耦合。

二、地環(huán)路電流電壓及其接地噪聲抑制

1、接地環(huán)路噪聲定義及干擾原因

（1）接地公共阻抗產(chǎn)生的干擾。兩個(gè)不同的接地點(diǎn)之間存在一定的電位差，稱為地電壓。這是由于兩接地點(diǎn)之間總有一定阻抗，地電流流經(jīng)接地公共阻抗，在其上產(chǎn)生了地電壓，此地電壓直接加到電路上形成共模干擾電壓。下圖所示的接地回路，來(lái)自直流電源或者高頻信號(hào)源的電流經(jīng)接地面返回，由于接地面的公共阻抗非常小，所以在設(shè)計(jì)電路的性能時(shí)往往不予考慮。但對(duì)于控制電磁干擾而言，在回路中必須考慮接地面阻抗的存在。

公共接地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾

（2）接地電流與地電壓的形成。電子設(shè)備一般采用具有一定面積的金屬板作為接地面，由于各種原因在接地面上總有接地電流通過(guò)，而金屬接地板兩點(diǎn)之間總存在一定的阻抗，因而產(chǎn)生接地干擾電壓?？梢娊拥仉娏鞯拇嬖谑钱a(chǎn)生接地干擾的根源，而接地電流產(chǎn)生的原因主要有以下四種。

①由導(dǎo)電耦合而引起的接地電流。在許多情況下采用兩點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地，即通過(guò)兩點(diǎn)或多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與接地面連接，因此形成接地回路，通過(guò)接地回路將流過(guò)接地電流，如下圖所示：

導(dǎo)電耦合的地電流回路圖

②由電容耦合形成的接地電流。由于回路元件與接地面之間存在分布電容，通過(guò)分布電容可形成接地回路，電路中的電流總會(huì)有部分泄漏到接地回路中。

下圖所示表示導(dǎo)電耦合和電容耦合而形成的接地回路，并通過(guò)接地回路流過(guò)接地電流。

導(dǎo)電與電容耦合

下圖所示表示在阻抗元件的高電位和低電位兩點(diǎn)上的分布電容所形成的接地回路，當(dāng)該回路處于諧振狀態(tài)時(shí)，接地電流將很大。

電容耦合

③由電磁耦合形成的感應(yīng)地電流。當(dāng)電路中的線圈靠近設(shè)備殼體時(shí)，殼體相當(dāng)于只有一匝的二次線圈，它和一次線圈之間形成變壓器耦合，機(jī)殼內(nèi)因電磁感應(yīng)將產(chǎn)生接地電流，而且不管線圈位置如何，只要有變化磁通通過(guò)殼體，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)地電流。

④由金屬導(dǎo)體的天線效應(yīng)形成地電流。當(dāng)有輻射電磁場(chǎng)照射到金屬導(dǎo)體時(shí)，由于接收天線效應(yīng)使導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果金屬導(dǎo)體是箱體結(jié)構(gòu)，那么由于電場(chǎng)作用，在平行的兩個(gè)平面上將產(chǎn)生電位差，使箱體有接地電流流過(guò)，該金屬箱體同回路相連時(shí)，就會(huì)形成有接地電流通過(guò)的電流回路。

當(dāng)兩個(gè)用傳輸線連接的設(shè)備置于地面附近時(shí)，如下圖所示。

外界電磁波在傳輸線上形成的共模干擾

傳輸線的共模干擾將外界電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換成回路中的共模干擾電壓，雖然形成的回路阻抗有高有低，但是感應(yīng)到回路中的干擾電壓與阻抗無(wú)關(guān)，而導(dǎo)電耦合及電容耦合所形成的共地阻抗干擾電壓與回路阻抗及電流有直接關(guān)系。

（3）地回路干擾。從上述分析可以看出，由于接地共阻抗以及傳輸導(dǎo)線或金屬機(jī)殼的天線效應(yīng)等因素，在地回路中會(huì)形成干擾電流與電壓，該干擾電壓通過(guò)各種地回路感應(yīng)到受害電路的輸入端，而形成地回路干擾（見下圖所示）。

地回路干擾

地回路干擾的實(shí)際電路

2、噪聲抑制方法

消除地環(huán)路有四種隔離方法：分別是變壓器隔離、共模扼流圈隔離、光隔離、平衡電路隔離，如下圖所示：

變壓器隔離

共模扼流圈隔離

光隔離

平衡電路隔離