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地線干擾與地線設(shè)計(jì)

地線設(shè)計(jì)是電磁兼容設(shè)計(jì)中大家都很注意，卻又不知道應(yīng)該怎樣去做的一個(gè)問題。了解了地線造成干擾問題的機(jī)理之后，在設(shè)計(jì)和實(shí)施地線時(shí)就有了一個(gè)明確的思路。本期從介紹地線造成干擾的原理入手，使讀者了解設(shè)計(jì)地線的關(guān)鍵和原則。
　　1 什么是地線？
　　地線有**地和信號(hào)地兩種。前者是為了保證人身**、設(shè)備**而設(shè)置的地線，后者是為了保證電路正確工作所設(shè)置的地線。造成電路干擾現(xiàn)象的主要是信號(hào)地，因此這里僅討論信號(hào)地的問題。信號(hào)地的一般定義是：電路的電位參考點(diǎn)。
　　更恰當(dāng)?shù)卣f，這個(gè)定義是我們?cè)O(shè)計(jì)電路時(shí)的一個(gè)假設(shè)。從這個(gè)定義是無法分析和理解一些地線干擾問題的。從現(xiàn)在開始，我們?cè)诜治鲭姶偶嫒輪栴}時(shí)，使用下面的定義。
　　地線是信號(hào)電流流回信號(hào)源的地阻抗路徑。
　　既然地線是電流的一個(gè)路徑，那么根據(jù)歐姆定律，地線上是有電壓的；既然地線上有電壓，說明地線不是一個(gè)等電位體。這樣，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，關(guān)于地線電位一定的假設(shè)就不再成立，因此電路會(huì)出現(xiàn)各種錯(cuò)誤。這就是地線干擾的實(shí)質(zhì)。
　 2 地線的阻抗有多大？
　　一個(gè)難以理解的問題是，我們?cè)谠O(shè)計(jì)地線時(shí)，都使地線的電阻很小，那么地線上的電位差怎么會(huì)大到導(dǎo)致電路出錯(cuò)的程度。理解這個(gè)問題，要理解地線阻抗的組成。
　　地線的阻抗Z由電阻部分和感抗部分兩部分組成，即：Z = RAC + jωL。
　　電阻成分：導(dǎo)體的電阻分為直流電阻RDC和交流電阻RAC。對(duì)于交流電流，由于趨膚效應(yīng)，電流集中在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)致實(shí)際電流截面減小，電阻增加，直流電阻和交流電阻的關(guān)系如下：　　RAC= 0.076rf1/2RDC式中：r=導(dǎo)線的半徑，單位cm，f=流過導(dǎo)線的電流頻率，單位Hz， RDC=導(dǎo)線的直流電阻，單位Ω。
　　電感成分：任何導(dǎo)體都有內(nèi)電感（這區(qū)別于通常講的外電感，外電感是導(dǎo)體所包圍的面積的函數(shù)），內(nèi)電感與導(dǎo)體所包圍的面積無關(guān)。對(duì)于圓截面導(dǎo)體如下：
　　L=0.2S[ln(4.5/d) -1] （μH）式中S=導(dǎo)體長度(m)，d=導(dǎo)體直徑(m)
　表1說明了直流電阻與交流阻抗的巨大差異。頻率很低時(shí)的阻抗可以認(rèn)為是導(dǎo)體的電阻，從表中可以看出，隨著頻率升高，阻抗增加很快，當(dāng)頻率達(dá)到100MHz以上時(shí)，直徑6.5mm長度僅為10cm的導(dǎo)線也有數(shù)十歐姆的阻抗。

表1 不同直徑、長度的導(dǎo)線的阻抗
　　3 地環(huán)路干擾及對(duì)策
　　地環(huán)路干擾是一種較常見的干擾現(xiàn)象,常常發(fā)生在通過較長電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是設(shè)備之間的地線電位差。地線電壓導(dǎo)致了地環(huán)路電流，由于電路的非平衡性，地環(huán)路電流導(dǎo)致對(duì)電路造成影響的差模干擾電壓（圖1）。
　　由于地環(huán)路干擾是由地環(huán)路電流導(dǎo)致的，因此在實(shí)踐中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將一個(gè)設(shè)備的地線斷開時(shí)，干擾現(xiàn)象消失，這是因?yàn)榈鼐€斷開時(shí)，切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象往往發(fā)生在干擾頻率較低的場(chǎng)合，當(dāng)干擾頻率高時(shí)，短開地線與否關(guān)系不大。
　　地環(huán)路干擾形成的原因1：兩個(gè)設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，“設(shè)備1-互聯(lián)電纜-設(shè)備2-地”形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。地線上的電壓是由于其他功率較大的設(shè)備也用這段地線，在地線中引起較強(qiáng)電流，而地線又有較大阻抗產(chǎn)生的。
　　地環(huán)路干擾形成的原因2：由于互聯(lián)設(shè)備處在較強(qiáng)的電磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)在“設(shè)備1 - 互聯(lián)電纜 - 設(shè)備2 - 地”形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流，與原因1的過程一樣導(dǎo)致干擾。
　　解決地環(huán)路干擾的方法：解決地環(huán)路干擾的基本思路有三個(gè)：一個(gè)是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對(duì)**種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路沒有效果。另一個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無限大時(shí)，實(shí)際是將地環(huán)路切斷，即消除了地環(huán)路。例如將一端的設(shè)備浮地、或?qū)⒕€路板與機(jī)箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護(hù)或**的考慮，這種直接的方法在實(shí)踐中往往是不允許的。更實(shí)用的方法是使用隔離變壓器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡電路等方法。第三個(gè)方法是改變接地結(jié)構(gòu)，將一個(gè)機(jī)箱的地線連接到另一個(gè)機(jī)箱上，通過另一個(gè)機(jī)箱接地，這就是單點(diǎn)接地的概念。
　　4 公共阻抗耦合及對(duì)策
　　當(dāng)兩個(gè)電路的地電流流過一個(gè)公共阻抗時(shí)，就發(fā)生了公共阻抗耦合，如圖2(a) 所示。
　　一個(gè)電路的地電位會(huì)受到另一個(gè)電路工作狀態(tài)的影響，即一個(gè)電路的地電位受另一個(gè)電路的地電流的調(diào)制，另一個(gè)電路的信號(hào)就耦合進(jìn)了前一個(gè)電路。
　　放大器級(jí)間公共地線耦合問題：圖2(a)中的放大器，由于前置放大電路與功率放大電路共用一段地線，功率放大電路的地線電流很大，因此在地線上產(chǎn)生了較大的地線電壓V。這個(gè)電壓正好在前置放大電路的輸入回路中，如果滿足一定的相位關(guān)系，就形成了正反饋，造成放大器自激。　　解決辦法：可以有兩個(gè)解決辦法，一個(gè)是將電源的位置改變一下，使它靠近功率放大電路，這樣，就不會(huì)有較大的地線電壓落在前置放大電路的輸入回路中了，如圖2(b) 所示。另一個(gè)辦法是功率放大電路單獨(dú)通過一根地線連接到電源，這實(shí)際是改成了并聯(lián)單點(diǎn)接地結(jié)構(gòu)，如圖2 (d) 所示。　　5接地策略

信號(hào)地有圖3所示的幾種方式。
　　單點(diǎn)接地：所有電路的地線接到公共地線的同一點(diǎn)，進(jìn)一步可分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。*大好處是沒有地環(huán)路，相對(duì)簡(jiǎn)單。但地線往往過長，導(dǎo)致地線阻抗過大。
　　多點(diǎn)接地：所有電路的地線就近接地，地線很短，適合高頻接地。問題是存在地環(huán)路。
　　混合接地：在地線系統(tǒng)內(nèi)使用電感、電容連接，利用電感、電容器件在不同頻率下有不同阻抗的特性，使地線系統(tǒng)在不同的頻率具有不同的接地結(jié)構(gòu)。
　　串聯(lián)單點(diǎn)接地容易產(chǎn)生公共阻抗耦合的問題，解決的方法是采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。但是并聯(lián)單點(diǎn)接地往往由于地線過多，而沒有可實(shí)現(xiàn)性。因此，靈活的方案是，將電路按照信號(hào)特性分組，相互不會(huì)產(chǎn)生干擾的電路放在一組，一組內(nèi)的電路采用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同組的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。如圖4所示。這樣，既解決了公共阻抗耦合的問題，又避免了地線過多的問題。

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