電子產(chǎn)品和設(shè)備中的EMC測試分析

在一些電子產(chǎn)品＆設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，我們會(huì)碰到系統(tǒng)接地后EMI傳導(dǎo)測試數(shù)據(jù)變差的情況；這時(shí)要注意產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和我們測試實(shí)驗(yàn)場地的接地情況！通過如下的產(chǎn)品路徑我們進(jìn)行分析：

從產(chǎn)品的EMC測試原理分析：主要影響產(chǎn)品EMC測試結(jié)果的為共模干擾，因此，產(chǎn)品的EMC問題主要與共模干擾有關(guān)，對于產(chǎn)品的EMC設(shè)計(jì)來說，真正需要我們重點(diǎn)關(guān)注的也是共模問題！參考地回路的電流路徑問題??！

因此對于產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用狀況要注意產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題；我們不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對EMS處理有效；有時(shí)會(huì)帶來EMI的問題！

還有我們在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中遇到關(guān)于“地”的問題越來越多，譬如設(shè)備在測試時(shí)運(yùn)行正常，到了現(xiàn)場安裝后跑起來就各種問題，在模數(shù)混合系統(tǒng)里對不同類型的系統(tǒng)進(jìn)行地平面分離處理，在產(chǎn)品進(jìn)行EMC等電磁認(rèn)證測試時(shí)各種干擾問題最后都會(huì)落到“地”上。

接地技術(shù)最早是應(yīng)用在強(qiáng)電系統(tǒng)（電力系統(tǒng)、輸變電設(shè)備、電氣設(shè)備）中，為了設(shè)備和人身的安全，將接地線直接接在大地上。由于大地的電容非常大，一般情況下可以將大地的電位視為零電位。后來，接地技術(shù)延伸應(yīng)用到弱電系統(tǒng)中。對于電力電子設(shè)備將接地線直接接在大地上或者接在一個(gè)作為參考電位的導(dǎo)體上，當(dāng)電流通過該參考電位時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生電壓降。然而由于不合理的接地，反而會(huì)引入了電磁干擾，比如共地線干擾、地環(huán)路干擾等，從而導(dǎo)致電力電子設(shè)備工作不正常。可見，接地技術(shù)是電子產(chǎn)品＆設(shè)備電磁兼容技術(shù)的重要內(nèi)容之一，所以我在這里有必要對接地技術(shù)收集到比較完整的資料再進(jìn)行詳細(xì)分析！

輸入電網(wǎng)－地的問題

中性點(diǎn)（中線）接地（產(chǎn)品的供電系統(tǒng)）給我們電網(wǎng)帶來好處；優(yōu)越性如下： ? 在220／380V三相四線制低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，配電變壓器的中性點(diǎn)大都實(shí)行工作接地。這主要是因?yàn)檫@樣做具有下述優(yōu)越性：一是正常供電情況下能維持相線的對地電壓不變，從而可向外（對負(fù)載）提供220／380V這兩種不同的電壓，以滿足單相220V（如電燈、電熱）及三相380V（如電動(dòng)機(jī)）不同的用電需要。二是若中性點(diǎn)不接地，則當(dāng)發(fā)生單相接地的情況時(shí)，另外兩相的對地電壓便升高為相電壓的幾倍。中性點(diǎn)接地后，另兩相的對地電壓便仍為相電壓。這樣，即能減小人體的接觸電壓，同時(shí)還可適當(dāng)降低對電氣設(shè)備的絕緣要求，有利于制造及降低造價(jià)。三是可以避免高壓電竄到低壓側(cè)的危險(xiǎn)。實(shí)行上述接地后，萬一高低壓線圈間絕緣損壞而引起嚴(yán)重漏電甚至短路時(shí)，高壓電便可經(jīng)該接地裝置構(gòu)成閉合回路，使上一級(jí)保護(hù)動(dòng)作跳閘而切斷電源，從而可以避免低壓側(cè)工作人員遭受高壓電的傷害或造成設(shè)備損壞。所以，低壓電網(wǎng)的配電中性點(diǎn)一般都要實(shí)行直接接地。

中性點(diǎn)有電源中性點(diǎn)與負(fù)載中性點(diǎn)之分。它是在三相電源或負(fù)載按Y型聯(lián)接時(shí)才出現(xiàn)。對電源而言，凡三相線圈的首端或尾端連接在一起的共同連接點(diǎn)，稱電源中性點(diǎn)，簡稱中點(diǎn)；而由電源中性點(diǎn)引出的導(dǎo)線便稱中性線，簡稱中線，常用N表示。三相四線制中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)和三相四線制中性點(diǎn)接地系統(tǒng)。

一般情況下，當(dāng)中性點(diǎn)接地時(shí)，則稱為零線；若不接地時(shí)，則稱為中線。

配電系統(tǒng)的三點(diǎn)共同接地。為防止電網(wǎng)遭受過電壓的危害，通常將變壓器的中性點(diǎn)，變壓器的外殼，以及避雷器的接地引下線共同于一個(gè)接地裝置相連接，又稱三點(diǎn)共同接地。這樣可以保障變壓器的安全運(yùn)行。當(dāng)遭受雷擊時(shí)，避雷器動(dòng)作，變壓器外殼上只剩下避雷器的殘壓，減少了接地體上的那部分電壓。

在上圖的三相四線制配電系統(tǒng)中，中性線一般接地，因此也被稱為零線。中性線或者零線的作用就是為了取單相電220V，三相電設(shè)備和單相電設(shè)備供電方式的不同如圖：

而我們一般都知道用電設(shè)備要接地，這就是三相五線制中的PE線，也叫保護(hù)地線，用來連接設(shè)備的金屬外殼防止漏電。那么，下圖就是電廠的電經(jīng)過變壓傳輸后到達(dá)用戶端后的一個(gè)復(fù)雜配電網(wǎng)絡(luò)的配置，屬于低壓配電系統(tǒng)中的常用的TN－S系統(tǒng)。

N線又叫工作接零，用來返回回路電流，PE叫做保護(hù)接零，不經(jīng)過變壓器，用來連接設(shè)備金屬外殼到大地。我們可以看一下保護(hù)接地的原理：

如圖中：地線的兩端分別是什么，保護(hù)中性線的兩端是什么；漏電流的來源分析，通過下面的分析知道，保護(hù)中性線是中性線與地線的合并線，保護(hù)中性線包括了地線功能在內(nèi)。

如果因?yàn)榫€路老化等原因?qū)е略O(shè)備外殼帶電，在PE線連接的情況下外殼漏電會(huì)從PE線過，否則就會(huì)從人體流到地，導(dǎo)致觸電。另外還有IT、TT、TN－C等其他幾種適用于不同情況的配電系統(tǒng)，說到這里，除了介紹一些配電系統(tǒng)的接地知識(shí)，我們也可以看到的一個(gè)關(guān)鍵詞就是“回路”，所有的能量都在尋求一個(gè)回路，從高到低，所以我們需要根據(jù)需求和需要設(shè)計(jì)這些回路。

接著我們再進(jìn)一步介紹設(shè)備里的屬于弱電系統(tǒng)的電路板電路設(shè)計(jì)上的地又有何不同之處。

在電子產(chǎn)品＆設(shè)備中：系統(tǒng)電子電路設(shè)計(jì)中的地（GND）

電子產(chǎn)品＆設(shè)備開關(guān)電源系統(tǒng)供電的強(qiáng)電信號(hào)地與輸出GND的處理技術(shù)！

高壓經(jīng)過降壓等處理后用來給設(shè)備以及電路板上的元器件供電，電路板的作用就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、通訊、控制等功能。電路設(shè)計(jì)時(shí)又根據(jù)模擬和數(shù)字的不同、高速和低速的不同、功率大小的不同等來分別有相對應(yīng)的要注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。其中一個(gè)顯著的點(diǎn)就是我們經(jīng)?？吹降?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)中的各種地的劃分，有AGND、PGND、DGND、EARTH，還有浮地技術(shù)等等。

我們電子產(chǎn)品＆設(shè)備；隨著物聯(lián)互通的需求，開始轉(zhuǎn)化為智能裝備；其系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會(huì)越來越高，模擬和數(shù)字電路交叉度更密切；參考地信號(hào)的問題會(huì)對產(chǎn)品的EMC產(chǎn)生影響；進(jìn)行如下分析：

1．關(guān)于模擬地和數(shù)字地：

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)有何不同，一般的工程師認(rèn)為是連續(xù)和非連續(xù)這樣的差別，沒錯(cuò)，但是正弦波和方波帶來的影響是什么？尤其是對地的影響，我們知道在分布參數(shù)分析電路中傳輸線的等效模型是LC，地線同樣有這些寄生參數(shù)的影響，我們看一下正弦波和方波回路中的地有何差異。

我們可以看到方波因?yàn)樽兓俾士鞂?dǎo)致存在寄生效應(yīng)的地線上電位噪聲較大，對于數(shù)字電路而言是以高低電平為標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的噪聲容限，而如果模擬信號(hào)也以同一個(gè)地作為參考點(diǎn)，對于微弱信號(hào)采集而言則會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。因此我們需要分別設(shè)計(jì)地回路，然后單點(diǎn)連接，這樣可以避免數(shù)字信號(hào)對模擬地的干擾影響模擬信號(hào)的采集和處理。比如：處理傳感器信號(hào)采集和電磁閥控制的電路設(shè)計(jì)中就會(huì)出現(xiàn)未能處理好地回路從而導(dǎo)致采集信號(hào)噪聲太大的問題！模擬地和數(shù)字地的參考如下：

2．關(guān)于高速電路與地

很多設(shè)計(jì)師可能不太分得清信號(hào)高速和高頻的差別，高頻是指信號(hào)的頻率高，也就是周期小，可以說不分模擬或者數(shù)字。而高速電路特指數(shù)字電路中的電平變化速率很高，也就是上升沿和下降沿的斜率，我們在頻域里看看數(shù)字信號(hào)的本質(zhì)。

方波的傅里葉變換：

因此我們看到方波包含多次諧波信號(hào)，從基波到高次諧波，邊沿變化速率越快越接近這個(gè)公式，而對于數(shù)字信號(hào)帶來的諧波干擾，處理好信號(hào)的地環(huán)路很重要。對于高速電路如大于10MHz的數(shù)字電路，接地一般采用多點(diǎn)接地，也就是信號(hào)伴地走，為信號(hào)提供最短返回路徑。

一般信號(hào)和高速信號(hào)的分析差別：

我們再看下數(shù)字I／O口的產(chǎn)生信號(hào)的變化情況：

所以對于高速數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)好就近的返回回路是避免干擾的重要一點(diǎn)，因此在多層PCB設(shè)計(jì)中信號(hào)層貼近電源或者地層設(shè)計(jì)。

3．信號(hào)屏蔽和地

對于信號(hào)的屏蔽保護(hù)是為了將外來干擾導(dǎo)入接地，避免通過電磁干擾影響電路，也可以防止電磁泄露干擾其他部分。對于信號(hào)線我們常見的是屏蔽線纜：

對于屏蔽線纜的單端接地和兩端接地一直有不同說法，實(shí)際應(yīng)用主要參考原則有幾點(diǎn)：

A．防止靜電感應(yīng)的話必須采取單端接地，這樣靜電泄放最快。

B．單端接地主要是衰減低頻干擾，低頻信號(hào)建議單端接地。

C．對于雙層屏蔽線，一般采取內(nèi)層單端接地泄放靜電，外層雙端接地屏蔽電磁感應(yīng)。

對于電磁泄露的屏蔽主要涉及到屏蔽外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是一些縫隙和搭接，在輻射測試中往往是最多出問題的地方。

4．接口防護(hù)和地

我們這里說的接口防護(hù)主要是指電磁騷擾防護(hù)，具體包括傳導(dǎo)和輻射兩種干擾路徑。傳導(dǎo)的路徑可以是電源和信號(hào)線纜，輻射則主要來源于附近的電磁輻射源。對于防護(hù)的設(shè)計(jì)依然是宜疏不宜堵，需要設(shè)計(jì)干擾的泄放路徑和濾波方式。

如一般接口的防護(hù)設(shè)計(jì)：

這里主要的是防護(hù)器件的選型和配合使用，如常用的GDT、TVS、磁珠、電感等等。在PCB設(shè)計(jì)上必須按照信號(hào)路徑規(guī)范布線，器件放置在接口附近。這里的設(shè)計(jì)沒有唯一答案，主要在于應(yīng)用和實(shí)際測試的考慮，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)來給出對應(yīng)的防護(hù)措施和等級(jí)。

對于輻射干擾的防護(hù)主要是以屏蔽為主，對干擾源和被保護(hù)電路進(jìn)行屏蔽處理。

5．浮地技術(shù)

在電路設(shè)計(jì)中浮地設(shè)計(jì)也是很常見的一種方式，就是電路板的地不和外部地連接，而是進(jìn)行隔離處理，這樣就有形成一個(gè)相對封閉的電路參考系統(tǒng)，可以避免外部的干擾。

但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)有幾點(diǎn)需要著重注意：

A．容易積累靜電，達(dá)到一定程度后可能會(huì)導(dǎo)致靜電干擾。

B．對外的寄生電容必須要注意，否則高頻干擾會(huì)耦合進(jìn)來。

我們的一些產(chǎn)品中因?yàn)橥獠侩姶怒h(huán)境的惡劣會(huì)采取浮地的設(shè)計(jì)方式，或者采取單點(diǎn)通過電阻電容等接到外殼地。

6．地參考信號(hào)的分析總結(jié)

上述的接地技術(shù)對實(shí)際的工作是有一定的指導(dǎo)意義的。實(shí)際上在這個(gè)分析中最重要的理解點(diǎn)是源－阻抗－回路路徑，對于源（功率源、信號(hào)源、干擾源）的回路設(shè)計(jì)是最基本的出發(fā)點(diǎn)，但是在實(shí)際中又不能默守陳規(guī)嚴(yán)格按照原則劃分，否則出現(xiàn)問題的可能性還是很大，比如什么時(shí)候模數(shù)的地需要分開，如何評(píng)估互相之間的影響等，分割地之間的聯(lián)系方式等。因此我們需要掌握這些基本原則，對設(shè)計(jì)有宏觀原則的理解，然后結(jié)合實(shí)際去設(shè)計(jì)真正符合應(yīng)用要求的電路；

總結(jié)這張圖就是一張非常清晰的關(guān)于地設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參考示例。

參考文獻(xiàn)：Grounds for Grounding A circuit to System Handbook。