傳導(dǎo)性電磁干擾噪聲抑制接地技術(shù)

一、安全接地與信號接地

1、安全接地

安全接地又可稱為保險接地，與信號接地的目的不同。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，不易發(fā)生危險。下圖中的Z1為電位U1所在點與機(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的阻值來決定的，故機(jī)殼電位為：

此時機(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，機(jī)殼的電位將接近U1的值，就會有電擊的危險。

若機(jī)殼做了接地設(shè)計，即Z2=0，U機(jī)殼應(yīng)為0。此時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，因此不會有電擊的問題。

下圖所示為較危險的情況，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，會因接地而使電力線上有大量電流流動而燒掉熔絲，使機(jī)殼不再帶電，而不會有電擊的危險。

2、信號接地：單點與多點接地

除安全接地外，另一種典型的接地是信號接地，它允許信號電流返回信號源。雖然設(shè)計者們希望信號通過所設(shè)計的路徑返回信號源，但并不能保證這一定會發(fā)生。實際上，一個信號的一些頻譜分量會通過一條路徑返回信號源，而同一信號的其它頻譜分量可能通過另一條路徑返回信號源，接地平面上的屏蔽電纜就是一個很好的例子。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。在信號接地的情況下，考慮電流流過的路徑是很重要的，這些路徑的高頻阻抗主要是感性的，如果它們接地，在其兩端會具有較小的壓降，那么必須使這個感性阻抗最小。

關(guān)于信號接地的方案基本上有兩種：單點接地系統(tǒng)和多點接地系統(tǒng)。

（1）單點接地系統(tǒng)指的是子系統(tǒng)的地回路僅與該子系統(tǒng)內(nèi)的單點相連。使用單點接地系統(tǒng)的目的就是為了防止兩個不同子系統(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接地的實現(xiàn)原理，3個子系統(tǒng)具有相同的信號源。

（a）串聯(lián)連接中的共阻抗耦合

（b）地線和單點接地系統(tǒng)間的無意耦合

圖（a）所示的方法稱為“串級鏈”或串聯(lián)法，這種方法很明顯會在兩個子系統(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，圖（b）所示的并行連接是理想的單點接地法。然而，它有一個很大缺點，那就是單個的接地線阻抗將取決于這些連線的長度。在分布系統(tǒng)中，如果嚴(yán)格服從單點接地系統(tǒng)的原理，那么連接線可能需要很長，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)射依從性問題。而這發(fā)生的程度取決于回路信號的頻譜分量（高頻分量將比低頻分量產(chǎn)生更有效的輻射和耦合。因此單點接地原理并不是普遍適用的理想接地原理，因為它最適合低頻子系統(tǒng)。

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

（c）多點接地理想情況

（d）多點接地原理中存在的問題說明

典型地，一個大導(dǎo)體（通常為接地平面）在多點接地系統(tǒng)中作為信號的回路。在多點接地系統(tǒng)中，子系統(tǒng)的各個地分別與接地導(dǎo)體在不同點相連。多點接地系統(tǒng)優(yōu)于單點接地系統(tǒng)的原因是連接導(dǎo)線的長度可能較短，因為有一個較近的接地點。但這又是假設(shè)了接地點之間所考慮的頻點上阻抗為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上的一條長而窄的帶狀線所替代，那么如果沿該帶狀線上各點連接子系統(tǒng)的地，則可以認(rèn)為已經(jīng)實現(xiàn)了多點接地，而事實上這更類似于串聯(lián)連接的單點接地系統(tǒng)。

多點接地系統(tǒng)的另一個問題可能是通過接地導(dǎo)體的其它電流沒有被注意。例如，假定“接地面”（其子系統(tǒng)為多點接地）上有意地存在其它電流或通過它的環(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，包含直流電動機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動直流電動機(jī)所需要的+38V直流電源和激勵數(shù)字電路所需的+5V直流電源通過連接器供給PCB。假設(shè)這些電路都在PCB上的一個公共地網(wǎng)上接地。作為電動機(jī)驅(qū)動開關(guān)，電動機(jī)電路的高頻電流將通過該接地面，在接地網(wǎng)的兩點之間會產(chǎn)生大的高頻電壓。如果數(shù)字邏輯電路也以多點的形式接到接地網(wǎng)上，那么由電動機(jī)回路電流在接地網(wǎng)上產(chǎn)生的電壓可能會耦合進(jìn)數(shù)字邏輯電路，使它的性能產(chǎn)生問題。另外，假設(shè)一個信號在PCB上的線路經(jīng)過一個在PCB反面的電源連接器，那么，在信號電纜中的接地導(dǎo)線將被嘈雜的的接地系統(tǒng)的變化電位所激勵，有可能產(chǎn)生輻射而導(dǎo)致輻射（或傳導(dǎo)）發(fā)射問題。

典型地，單點接地系統(tǒng)應(yīng)用于模擬子系統(tǒng)中，其中包括低電平信號。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題。單點接地系統(tǒng)通常也用于高電平子系統(tǒng)中，如電動機(jī)驅(qū)動，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，然而它對內(nèi)部噪聲相當(dāng)敏感，通過公共阻抗耦合被內(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導(dǎo)線是很重要的，因為這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現(xiàn)屏蔽接地并避免低頻耦合的方法。

實現(xiàn)低頻時單點接地、高頻時避免“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)線上流過的電流產(chǎn)生的共阻抗耦合問題。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。下圖描述了兩種實現(xiàn)混合接地的其它方案：

低頻時單點接地和高頻時多點接地?

高頻時單點接地和低頻時多點接地

典型的系統(tǒng)要求有兩三個獨立的接地系統(tǒng)，如下圖所示：

獨立接地系統(tǒng)理想安排

低電平信號（電壓、電流、功率）子系統(tǒng)應(yīng)該與專門的單獨接地點相連，這個接地點就是?“信號地”。在這個信號接地子系統(tǒng)中，電路采用單點接地、多點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)生噪聲類信號的電路。在一種情況下信號被認(rèn)為是噪聲，在另一種情況卻不是。例如，數(shù)字時鐘信號的高頻分量在符合規(guī)定的限值或干擾其它子系統(tǒng)時被認(rèn)為是噪聲，雖然它們是有用信號必要的頻譜成分。另一方面，直流電動機(jī)的電刷電弧則是真正的噪聲，它對于電動機(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（一個信號地）實質(zhì)上是單點接地系統(tǒng)，而數(shù)字接地系統(tǒng)中的接地（另一個信號地）實質(zhì)上是多點接地系統(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機(jī)驅(qū)動電路傳輸?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)生問題。區(qū)分低電平和高電平回路是很重要的，因為回路電流幅度越大，公共阻抗上的壓降也就越大。幾個不同的低電平電路可能共同一個回路而不互相產(chǎn)生干擾，因為在公共地網(wǎng)上產(chǎn)生的共阻抗耦合壓降沒有大到足以產(chǎn)生干擾。在分開的接地系統(tǒng)中不僅信號電平很重要，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就不會產(chǎn)生干擾問題。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算放大器的響應(yīng)時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題。60Hz的高電平信號和ESD（靜電放電）信號一樣，可以通過這個接地面。不在硬件接地和其它接地之間提供連接是很重要的，特別是信號接地，這樣由ESD信號轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的壓降不會在信號接地系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生噪聲變化的點。

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載電流為目的，而是被用在發(fā)生故障或轉(zhuǎn)移ESD信號的情況下。

下圖是一個分開的接地系統(tǒng)連接后可能產(chǎn)生問題的例子。

具有單個機(jī)殼的系統(tǒng)的接地

兩個機(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電流流過之類的情況而產(chǎn)生電位差。一個機(jī)殼內(nèi)的兩個PCB將它們的信號接地連接在一起，但通常來說將信號接地與機(jī)殼相連是不正確的，因為上述的ESD可能會使信號地隨之發(fā)生變化。然而，在一些情況下為了防止ESD問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。兩個不同的接地點之間存在一定的電位差，稱為地電壓。這是由于兩接地點之間總有一定阻抗，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，來自直流電源或者高頻信號源的電流經(jīng)接地面返回，由于接地面的公共阻抗非常小，所以在設(shè)計電路的性能時往往不予考慮。但對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，而金屬接地板兩點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接地或多點接地，即通過兩點或多點實現(xiàn)與接地面連接，因此形成接地回路，通過接地回路將流過接地電流，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，通過分布電容可形成接地回路，電路中的電流總會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，并通過接地回路流過接地電流。

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，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，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殼體，就會產(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)有輻射電磁場照射到金屬導(dǎo)體時，由于接收天線效應(yīng)使導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如果金屬導(dǎo)體是箱體結(jié)構(gòu)，那么由于電場作用，在平行的兩個平面上將產(chǎn)生電位差，使箱體有接地電流流過，該金屬箱體同回路相連時，就會形成有接地電流通過的電流回路。

當(dāng)兩個用傳輸線連接的設(shè)備置于地面附近時，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，在地回路中會形成干擾電流與電壓，該干擾電壓通過各種地回路感應(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