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浅谈地线对造成EMI干扰的影响

韬略科技EMC ? 2021-08-19 15:53 ? 次阅读

引言

随着电子产品的功能越来越复杂,所需要的模块和元器件也越来越多,但是就是由于这些原因,导致了我们的地被不断的分割,虽然四层板可以有一个完整的地平面,但是我们所需要的过孔也多,不需要的杂散的参数更多,这些杂散的参数和地的不平衡造成EMI的问题的因素。

地的概念

传统的定义是电路正常工作时需要一个电压的参考点,人们把这个称作地,这个点叫做参考电位。现在,随着电子设备的普及,电磁干扰问题也越来越严重。地的术语也越来越广,例如滤波地、屏蔽地、回流地、安全地等各种叫法。总的来说地就是电源电流、信号电流的回流路径。

地线形成干扰的原因

1.地线阻抗的不平衡 说到地线的阻抗,很多人会想到一个典型的规范,就是接地电阻要小于4Ω。但是请注意了,传统上我们提到接地电阻要小于4Ω,是针对安全地而言的,较小的接地电阻保证了在出现故障电流时不会出现过大的电压,不会对人体造成伤害。另外,较小的接地电阻还保证了在配电系统出现短路故障时能够产生较大短路电流,触发保护装置。本文讨论地线阻抗并不是为了安全的目的,而是针对地线阻抗对电路系统电磁兼容性的影响。 那么地线的阻抗如何造成电磁干扰呢?首先,我们先来回顾一下地线的阻抗。

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通过上面的公式我们可以地线阻抗的大小是由哪些参数决定的,RDC是导线上的直流电阻值,jwL是感抗。由于RDC是ρ(电阻率)、S(横截面积)、L(长度)这三个因素决定的。ρ材料的电阻率一般导线制作出来就已经固定了,铜的电阻率为1。所以在直流电中影响电阻的阻值就是导线的横截面积和导线的长度。根据公式:

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可知交流电阻阻值的大小频率也有关系。那决定感抗的因素有哪些呢?

根据公式:

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决定感量的因数主要是导线的长度和导线的直径。因此决定导线的阻抗的因素我们也知道了,所以在电路中各个地方的地阻抗的不一致就是以上的因素所决定的。那么,我们来看一下地阻抗的不平衡如何产生电磁干扰的。

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图2地线电位真实情况

图2我们的感觉就像是地理书上的地貌的分布,其实这是PCB板上的地阻抗的分布,可以看到,不同的地阻抗所对应的电位不一样。因此我们第一步的理解就是地阻抗的不平衡,导致了地的电位不一样,地与地之间产生了电位差。这个电位差可以等效成一个电源信号,这个电源信号在地的阻抗下,产生了地电流,这个地电流就是我们所说的地噪声。地噪声的存在可以通过一些线束或空间辐射辐射出来,这样我们在测试CE或RE时不能通过测试。 2.地环路的干扰 地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是地环路电流的存在。图3中设备1-互联电缆-设备2-地线构成了一个回路。需要注意的是,有时候地环路并不明显,即使两台设备没有同时连接到同一个金属体,甚至两台设备都没有连接到同一个金属体上,地环路也可能存在。因为设备与地线面之间存在着杂散电容,这些杂散电容构成了电流的通路。

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图3地环路干扰形成

根据上图3可以看出I1和I2就是地电流通过设备1、设备2与地之间的寄生电容形成了一个环路。对于图2所示的非平衡电路,I1和I2经过输入阻抗后形成噪声电压VN,对电路形成干扰。

形成环路电流的原因

1.当两个设备的接地点不同时,由于两个接地点的电位不同,在两个设备的接地点之间形成电压,在这个电压的驱动下形成了地环路电流,如图4所示。这个地线电压的形成是由于作为地的导体上流过了较大的电流,电流在导体阻抗上形成电压。形成这个电流的常见机理包括,地线设计不良的建筑物中地线上流过了工作电流;机柜上发生了静电放电现象,静电放电电流流过机柜上搭接点;雷电在飞机、舰船等壳体上感应出电流,等等。上节讨论的雷电导致的地电位不同是一种最极端的情况。

2.如图4所示,当一个设备的接地线上电压较大时,这个电压驱动了地环路电流,这种情况很常见,它通常由两个原因产生,如图5所示。

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图4 地线电压的形成

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图5设备接地线上产生电压的各种原因

(1)浪涌泄放电流流过地线。前面提到,为了保护设备免受浪涌电压的损害,需要在电缆的端口安装浪涌电压保护器。当线路上出现浪涌电压时,浪涌抑制器就会起作用,把浪涌能量旁路到大地,浪涌电流(可达几千安培)就会在地线上产生电压,这种电压可以很高,甚至会达到干扰数字电路的程度。

(2)静电放电电流。当机壳上发生静电放电时,放电电流会流过安全地线,由于静电放电电流具有很高的频率,地线呈现很大的感抗,因此会产生很高的地线电压,造成严重的干扰问题。

3.当互联设备处在较强的交变电磁场中时,根据电磁感应定律,交变磁场会在这个回路中产生感应电压V=l(dp/dt),l是回路的电感,p是磁通量。在这个电压驱动下,在设备1-互联电缆-设备2-地形成的环路中感应出环路电流,如图5所示。

总结

上面说明的地线的形成干扰的原因主要是低阻抗的不平衡、地回路面积的大小。所以我们在设计产品时要考虑地该怎么画,怎样的回路才是最正确的,这样就大大减少我们后面过认证时减少一定的成本.
编辑:hfy

原文标题:地线造成EMI干扰问题

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