传导性电磁干扰噪声抑制接地技术

一、安全接地与信号接地

1、安全接地

安全接地又可称为保险接地，与信号接地的目的不同。它是将电气设备的外壳，利用低阻抗导体连至大地，以使人员意外触及时，不易发生危险。下图中的Z1为电位U1所在点与机壳之间的漏电阻，Z2为机壳与地之间的漏电阻。

机壳的电位是由Z1与Z2的阻值来决定的，故机壳电位为：

此时机壳电位可能相当高，且其值取决于Z1与Z2的大小。若Z2大于Z1很多时，机壳的电位将接近U1的值，就会有电击的危险。

若机壳做了接地设计，即Z2=0，U机壳应为0。此时人若触及已接地的机壳，因人体的阻抗远大于0，则大部分电流将经接地线流入地端，因此不会有电击的问题。

下图所示为较危险的情况，其中显示了带有熔丝的交流电力线引入封闭机壳的情况。

如果电力线触及机壳，机壳能提供熔丝所能承受的电流至机壳外。若人员触及机壳，电力线的电流将直接经人体进入地端。如果实施了接地措施，当发生绝缘击穿或电力线触及机壳时，会因接地而使电力线上有大量电流流动而烧掉熔丝，使机壳不再带电，而不会有电击的危险。

2、信号接地：单点与多点接地

除安全接地外，另一种典型的接地是信号接地，它允许信号电流返回信号源。虽然设计者们希望信号通过所设计的路径返回信号源，但并不能保证这一定会发生。实际上，一个信号的一些频谱分量会通过一条路径返回信号源，而同一信号的其它频谱分量可能通过另一条路径返回信号源，接地平面上的屏蔽电缆就是一个很好的例子。低于屏蔽接地电路截止频率的频谱分量将沿接地面返回，而高于截止频率的那些频谱分量将沿屏蔽层返回而不是沿接地平面返回。在信号接地的情况下，考虑电流流过的路径是很重要的，这些路径的高频阻抗主要是感性的，如果它们接地，在其两端会具有较小的压降，那么必须使这个感性阻抗最小。

关于信号接地的方案基本上有两种：单点接地系统和多点接地系统。

（1）单点接地系统指的是子系统的地回路仅与该子系统内的单点相连。使用单点接地系统的目的就是为了防止两个不同子系统中的电流共享相同的回路返回，从而产生共阻抗耦合。下图所示为典型的单点接地的实现原理，3个子系统具有相同的信号源。

（a）串联连接中的共阻抗耦合

（b）地线和单点接地系统间的无意耦合

图（a）所示的方法称为“串级链”或串联法，这种方法很明显会在两个子系统的接地之间产生共阻抗耦合。

当必须知道的电流回路可以确定时，图（b）所示的并行连接是理想的单点接地法。然而，它有一个很大缺点，那就是单个的接地线阻抗将取决于这些连线的长度。在分布系统中，如果严格服从单点接地系统的原理，那么连接线可能需要很长，这样接地线可能有很大的阻抗，而消除了它们的正面效应。而且，这些导线上的回路电流有可能向其它接地导线进行有效辐射，并在子系统之间产生耦合，类似于串扰，因而产生了辐射发射依从性问题。而这发生的程度取决于回路信号的频谱分量（高频分量将比低频分量产生更有效的辐射和耦合。因此单点接地原理并不是普遍适用的理想接地原理，因为它最适合低频子系统。

（2）另一种接地系统类型是多点接地系统，如下图所示：

（c）多点接地理想情况

（d）多点接地原理中存在的问题说明

典型地，一个大导体（通常为接地平面）在多点接地系统中作为信号的回路。在多点接地系统中，子系统的各个地分别与接地导体在不同点相连。多点接地系统优于单点接地系统的原因是连接导线的长度可能较短，因为有一个较近的接地点。但这又是假设了接地点之间所考虑的频点上阻抗为0或至少非常低，而这并不是正确的。如果上图（c）所示的接地平面被PCB上的一条长而窄的带状线所替代，那么如果沿该带状线上各点连接子系统的地，则可以认为已经实现了多点接地，而事实上这更类似于串联连接的单点接地系统。

多点接地系统的另一个问题可能是通过接地导体的其它电流没有被注意。例如，假定“接地面”（其子系统为多点接地）上有意地存在其它电流或通过它的环境电流。如图（d）所示的例子中，与其它数字电路的PCB相同，包含直流电动机驱动电路。驱动直流电动机所需要的+38V直流电源和激励数字电路所需的+5V直流电源通过连接器供给PCB。假设这些电路都在PCB上的一个公共地网上接地。作为电动机驱动开关，电动机电路的高频电流将通过该接地面，在接地网的两点之间会产生大的高频电压。如果数字逻辑电路也以多点的形式接到接地网上，那么由电动机回路电流在接地网上产生的电压可能会耦合进数字逻辑电路，使它的性能产生问题。另外，假设一个信号在PCB上的线路经过一个在PCB反面的电源连接器，那么，在信号电缆中的接地导线将被嘈杂的的接地系统的变化电位所激励，有可能产生辐射而导致辐射（或传导）发射问题。

典型地，单点接地系统应用于vwin 子系统中，其中包括低电平信号。在这些情况下，毫伏甚至是微伏的接地电压降都能在这些系统中造成重大的共阻抗耦合干扰问题。单点接地系统通常也用于高电平子系统中，如电动机驱动，这是为了防止这些高电平回路电流在公共接地网上产生大的压降。另一方面，数字系统本质上具有抗外部噪声的性能，然而它对内部噪声相当敏感，通过公共阻抗耦合被内部噪声所干扰。为了使这种公共阻抗耦合最小，数字系统中的接地系统趋向于多点接地，采用大的接地平面，如在PCB内层的地面或是诸如接地网等，将大量交替的接地路径并联放置，因而降低回路的阻抗。在接地回路附近放置信号导线是很重要的，因为这样也可以降低回路的阻抗。

（3）其它类型的接地系统称为混合接地系统，就是上述两种接地系统在不同频段组合。下图所示为可选择的实现屏蔽接地并避免低频耦合的方法。

实现低频时单点接地、高频时避免“地环路”而将屏蔽层两端接地的方法

如果电缆包含有两层屏蔽层，内屏蔽层与参考导体的一端相连，而屏蔽外层与参考导体的另一端相连，那么在两层屏蔽层之间不存在低频连接，这样可以避免由参考导线上流过的电流产生的共阻抗耦合问题。然而两屏蔽层之间的寄生电容（寄生电容由于两屏蔽层是同心的而相当大）在屏蔽层之间提供了一个高频连接，这样屏蔽层就能有效地与参考导体的两端相连。这是混合接地系统的频选接地机理。下图描述了两种实现混合接地的其它方案：

低频时单点接地和高频时多点接地

高频时单点接地和低频时多点接地

典型的系统要求有两三个独立的接地系统，如下图所示：

独立接地系统理想安排

低电平信号（电压、电流、功率）子系统应该与专门的单独接地点相连，这个接地点就是 “信号地”。在这个信号接地子系统中，电路采用单点接地、多点接地或者混合接地方式。

第二种类型的接地系统指的是噪声接地系统，噪声接地系统代表了工作于高电平和产生噪声类信号的电路。在一种情况下信号被认为是噪声，在另一种情况却不是。例如，数字时钟信号的高频分量在符合规定的限值或干扰其它子系统时被认为是噪声，虽然它们是有用信号必要的频谱成分。另一方面，直流电动机的电刷电弧则是真正的噪声，它对于电动机的功能而言并不是必要的。

下图为包含数字电路、模拟电路和噪声、电机驱动电路的PCB。噪声电路的地与PCB的连接器做专门的连接，以防止高电平回流电流通过模拟或数字接地系统。同样，数字和模拟电路也有专门的接地回路与连接器相连。注意模拟接地系统中的接地（一个信号地）实质上是单点接地系统，而数字接地系统中的接地（另一个信号地）实质上是多点接地系统。

PCB上地线系统的布局

理解为什么需要这些不同或独立接地系统的关键，在于了解它们的目的是防止共阻抗耦合。如果允许高电平噪声从电动机驱动电路传输到作为数字回路的导体上，这些高电平电流将在提供给数字电路的公共回路上产生压降，这就有可能导致数字电路的功能发生问题。区分低电平和高电平回路是很重要的，因为回路电流幅度越大，公共阻抗上的压降也就越大。几个不同的低电平电路可能共同一个回路而不互相产生干扰，因为在公共地网上产生的共阻抗耦合压降没有大到足以产生干扰。在分开的接地系统中不仅信号电平很重要，它们的频谱也很重要。一些支路在它们的输入端包含内在的滤波，因此如果噪声的频谱落在电路输入滤波的通频带之外，那么加在输入端的高电平噪声信号就不会产生干扰问题。数字电路趋向于有着非常宽的输入频带，这样就不存在选频保护。另一方面，诸如比较器等模拟电路由于运算放大器的响应时间而具有一定程度的高频滤波。但是寄生现象可以削弱这种作用。硬件接地通常是与其它接地分开，目的也是为了避免共阻抗耦合问题。60Hz的高电平信号和ESD（静电放电）信号一样，可以通过这个接地面。不在硬件接地和其它接地之间提供连接是很重要的，特别是信号接地，这样由ESD信号转换所产生的压降不会在信号接地系统内产生噪声变化的点。

3、硬件接地：即与底板、机座、机壳、设备机架等相连。硬件接地并不是以运载电流为目的，而是被用在发生故障或转移ESD信号的情况下。

下图是一个分开的接地系统连接后可能产生问题的例子。

具有单个机壳的系统的接地

两个机壳或支架构成系统，它们的硬件接地总与公共接地点相连，这些机壳也连接在一起，以防止在它们之间由于ESD电流流过之类的情况而产生电位差。一个机壳内的两个PCB将它们的信号接地连接在一起，但通常来说将信号接地与机壳相连是不正确的，因为上述的ESD可能会使信号地随之发生变化。然而，在一些情况下为了防止ESD问题而可能有必要将这些地连接在一起。机壳和内部电路之间的寄生电容和寄生电感可能使接地系统的高频性能大大地偏离理想状态。因此，电路应尽可能从物理上相互隔离并且与机壳隔离，以避免高频耦合。

二、地环路电流电压及其接地噪声抑制

1、接地环路噪声定义及干扰原因

（1）接地公共阻抗产生的干扰。两个不同的接地点之间存在一定的电位差，称为地电压。这是由于两接地点之间总有一定阻抗，地电流流经接地公共阻抗，在其上产生了地电压，此地电压直接加到电路上形成共模干扰电压。下图所示的接地回路，来自直流电源或者高频信号源的电流经接地面返回，由于接地面的公共阻抗非常小，所以在设计电路的性能时往往不予考虑。但对于控制电磁干扰而言，在回路中必须考虑接地面阻抗的存在。

公共接地阻抗产生的电磁干扰

（2）接地电流与地电压的形成。电子设备一般采用具有一定面积的金属板作为接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而金属接地板两点之间总存在一定的阻抗，因而产生接地干扰电压。可见接地电流的存在是产生接地干扰的根源，而接地电流产生的原因主要有以下四种。

①由导电耦合而引起的接地电流。在许多情况下采用两点接地或多点接地，即通过两点或多点实现与接地面连接，因此形成接地回路，通过接地回路将流过接地电流，如下图所示：

导电耦合的地电流回路图

②由电容耦合形成的接地电流。由于回路元件与接地面之间存在分布电容，通过分布电容可形成接地回路，电路中的电流总会有部分泄漏到接地回路中。

下图所示表示导电耦合和电容耦合而形成的接地回路，并通过接地回路流过接地电流。

导电与电容耦合

下图所示表示在阻抗元件的高电位和低电位两点上的分布电容所形成的接地回路，当该回路处于谐振状态时，接地电流将很大。

电容耦合

③由电磁耦合形成的感应地电流。当电路中的线圈靠近设备壳体时，壳体相当于只有一匝的二次线圈，它和一次线圈之间形成变压器耦合，机壳内因电磁感应将产生接地电流，而且不管线圈位置如何，只要有变化磁通通过壳体，就会产生感应地电流。

④由金属导体的天线效应形成地电流。当有辐射电磁场照射到金属导体时，由于接收天线效应使导体产生感应电动势，如果金属导体是箱体结构，那么由于电场作用，在平行的两个平面上将产生电位差，使箱体有接地电流流过，该金属箱体同回路相连时，就会形成有接地电流通过的电流回路。

当两个用传输线连接的设备置于地面附近时，如下图所示。

外界电磁波在传输线上形成的共模干扰

传输线的共模干扰将外界电磁场转换成回路中的共模干扰电压，虽然形成的回路阻抗有高有低，但是感应到回路中的干扰电压与阻抗无关，而导电耦合及电容耦合所形成的共地阻抗干扰电压与回路阻抗及电流有直接关系。

（3）地回路干扰。从上述分析可以看出，由于接地共阻抗以及传输导线或金属机壳的天线效应等因素，在地回路中会形成干扰电流与电压，该干扰电压通过各种地回路感应到受害电路的输入端，而形成地回路干扰（见下图所示）。

地回路干扰

地回路干扰的实际电路

2、噪声抑制方法

消除地环路有四种隔离方法：分别是变压器隔离、共模扼流圈隔离、光隔离、平衡电路隔离，如下图所示：

变压器隔离

共模扼流圈隔离

光隔离

平衡电路隔离