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| 电子设备电磁兼容性基本原理 |
| 新闻出处：电子生产设备资讯网
发布时间： 2007-11-15 |
接地 (一)
• 接地是电子设备的一个很重要问题。
• 接地目的有三个：
（1）接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地干作。
（2）防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外，对于电路的屏蔽体，若选择合适的接地，也可获得良好的屏蔽效果。
（3）保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时，可避免电子设备的毁坏；当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时，可避免操作人员的触电事故发生。此外，很多医疗设备都与病人的人体直接相连，当机壳带有110V或220V电压时，将发生致命危险。
接地 (二)
因此，接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。
接地可以理解为一个等电位点或等电位面，是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全，电子设备的机壳和机房的金属构件等，必须与大地相连接，而且接地电阻一般要很小，不能超过规定值。
电路的接地方式基本上有三类，即单点接地、多点接地和混合接地。
当许多相互连接的设备体积很大（设备的物理尺寸和连接电缆与任何存在的干扰信号的波长相比很大）时，就存在通过机壳和电缆的作用产生干扰的可能性。
当发生这种情况时，干扰电流的路径通常存在于系统的地回路中。在考虑接地问题时，要考虑两个方面的问题，一个是系统的自兼容问题，另一个是外部干扰耦合进地回路，导致系统的错误工作。由于外部干扰常常是随机的，因此解决起来往往更难。
接地方法--单点接地
如图所示，单点接地是为许多在一起的电路提供公共电位参考点的方法，这样信号就可以在不同的电路之间传输。若没有公共参考点，就会出现错误信号传输。单点接地要求每个电路只接地一次，并且接在同一点。该点常常一地球为参考。由于只存在一个参考点，因此可以相信没有地回路存在，因而也就没有干扰问题。
接地方法--多点接地
如图所示，从图中可以看出，设备内电路都以机壳为参考点，而各个 设备的机壳又都以地为参考点。
这种接地结构能够提供较低的接地阻抗，这是因为多点接地时，每条地线可以很短；并且多根导线并联能够降低接地导体的总电感。
在高频电路中必须使用多点接地，并且要求每根接地线的长度小于信号 波长的1/20.
接地方法--混合接地:
混合接地既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性
例如，系统内的电源需要单点接地，而射频信号又要求多点接地，这时就可以采用图所示的混合接地。
对于直流，电容是开路的，电路是单点接地，对于射频，电容是导通的，电路是多点接地。
当许多相互连接的设备体积很大（设备的物理尺寸和连接电缆与任何存在的干扰信号的波长相比很大）时，就存在通过机壳和电缆的作用产生干扰的可能性。当发生这种情况时，干扰电流的路径通常存在于系统的地回路中。
在考虑接地问题时，要考虑两个方面的问题，一个是系统的自兼容问题，另一个是外部干扰耦合进地回路，导致系统的错误工作。由于外部干扰常常是随机的，因此解决起来往往更难。
接地要求
要求接地的理由很多，下面列出几种：
1) 安全接地：使用交流电的设备必须通过黄绿色安全地线接地，否则当设备内的电源与机壳之间的绝缘电阻变小时，会导致电击伤害。
2) 雷电接地：设施的雷电保护系统是一个独立的系统，由避雷针、下导体和与接地系统相连的接头组成。该接地系统通常与用做电源参考地及黄绿色安全地线的接地是共享的。雷电放电接地仅对设施而言设备没有这个要求。
3) 电磁兼容接地：出于电磁兼容设计而要求的接地，包括：
*屏蔽接地： 为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。
* 滤波器接地：滤波器中一般都包含信号线或电源线到地的旁路电容，当滤波
器不接地时，这些电容就处于悬浮状态，起不到 旁路的作用。
* 噪声和干扰抑制：对内部噪声和外部干扰的控制需要设备或系统上 的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“最低阻抗”通
* 电路参考：电路之间信号要正确传输，必须有一个公共电位参考点， 这个公共电位参考点就是地。因此所有互相连接的电路必须接地。
以上所有理由形成了接地的综合要求。但是，一般在设计要求时仅明确安全和雷电防护接地的要求，其它均隐含在用户对系统或设备的电磁兼容要求中。
接地技术应用
目前所应用的接地技术和方法可以说是过去解决问题的经验总结。典型的接地要求往往限制在所谓的“单点接地”上。
通常在电路这一级上不专门提出对接地的具体要求，因为在这一层次上提出具体要求是不合适的。
• 对数字电路而言，大多数逻辑芯片读采用单端电路的方式工作。也就是说，所有信号的电位以电源回路为参考的话，其电位是0V。在模拟电路中，情况也类似。
当元器件之间的距离很近时，要完成逻辑信号的产生、处理和波形整形是很容易的，但如果传输线过长或者参考点电位不正确的话，都会产生问题。
我们要建立这样的概念：接地并不是每个部分或每个系统都需要的，比如单块的线路板并不非要接地才能正常工作。
当设备之间要传输资料时，接地就是十分必要的了。图4给出了一些地线的概念。
屏蔽
屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。
具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的接口反射）和抵消能量（电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。
屏蔽体材料选择的原则
（1）当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。
（2）当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。
（3）在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。
滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。
滤波器可以显著地减小传导干扰的电平，因为干扰频谱成份不高于有用信号的频率，滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力，从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。
所以，采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合，或是增强接收设备的抗干扰能力，都是有力措施。
用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开，消除电路之间的耦合，并避免干扰信号进入电路。
对高频电路可采用两个电容器和一个电感器（高频扼流圈）组成的CLCM π型滤波器。
滤波器的种类很多，选择适当的滤波器能消除不希望的耦合。
滤波器的选择 与应用-1
滤波器的选择看似神秘，但实质上并非如此。
不过在很多场合，即使竭尽全力采取以下所述方法来选择，也还是需要实验多个滤波器后才能挑出最合适的一只。
那么，为什么要煞费苦心去正确的选择滤波器呢？按这里提供的准则来进行滤波器的筛选，至少可满足滤波器的正确尺寸和类型的要求，因此，试用滤波器仅仅是用一只滤波器替换另一只滤波器，同时检查传导及辐射发射，看哪只滤波器具有最佳的费效比。
如果在设计过程中没有足够的耐心去选择滤波器，墨菲法则（好象所有的物理、医疗和财政方面的公式都是从这里派生出来的）表明：最终证明是最合适的滤波器会与产品的其它要求完全不兼容。
要么滤波器太大或太重而不能安装在铸塑模机壳内，需要一笔昂贵的重新制造模具的费用，要么需要一种不易实现的安装方法，要么由于滤波器的泄漏电流，将使推向市场的产品存在安全隐患问题。
确实，如果没有仔细选择正确型号及类型的滤波器，那么按照墨菲法则，挑选合适的滤波器将增加研发和生产费用，同时也会推迟产品的上市时间。
滤波器有关指针与计算-2
通过将产品的发射频谱与相关的电磁兼容标准比较，可以估算用滤波器控制发射所需要的衰减量。
对于抗扰性控制，可以通过比较外部电噪声（通常取自有关的电磁兼容抗扰度标准）与产品电子线路的敏感性以及干扰期间希望达到的性能等级来估算一个粗略值。
当明确知道一个产品实际的发射或敏感性能时，就可采取精确的计算而不去进行估测。
不过，如果不是在一个可控的50Ω阻抗环境中工作，在购买滤波器时，厂家提供的产品指针是靠不住的。
滤波器阻抗的问题-3
滤波器的工作原理是在射频电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，将射频电磁波中的大部分能量反射回源处。
大多数滤波器的性能是在源和负载阻抗均为50的条件下测得的，这使我们直接联想到极为重要的一点，这就是滤波器的性能在实际情况下不可能达到最佳。
考察一个典型的电源线滤波器，它安装在交流电源线与作为电子产品直流电源的交-直流变换器之间。
白天，交流电源的阻抗在2～2kÙ间变化，取决于与它连接的负载以及所关心的频率。
连接到电子设备的电源线的特征阻抗大约在150Ù，当整流器在电源波形的尖峰附近导通时，相当于短路，而在其它时间，相当于开路。
滤波器参数是在50Ù的源和负载阻抗的测试环境下获得的，因为大多数射频测试设备采用50Ù的源、负载及电缆。
这种方法获得的滤波器性能参数是最优化的，同时也是最具有误导性的。
因为滤波器由电感和电容组成的，因此这是一个谐振电路。
其性能和谐振主要取决于源端及负载端的阻抗。
事实上，一只价格昂贵且50/50性能优秀的滤波器可能在实际中的性能还不如一只价格较低且50/50性能较差的滤波器好。
电源线滤波器-典型的单级电源线滤波
图给出的单级电源线滤波器对源和负载的阻抗都很敏感，当工作在实际的源和负载阻抗条件下时，很容易产生增益，而不是衰减。这种增益通常出现在150kHz～10MHz的频率范围内，幅度可以达到10 ～ 20dB。
因此，在产品上安装一个不合适的滤波器后，可能会增加发射强度和/或使敏感性变得更糟。
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