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地线干扰与地线设计

地线设计是电磁兼容设计中大家都很注意，却又不知道应该怎样去做的一个问题。了解了地线造成干扰问题的机理之后，在设计和实施地线时就有了一个明确的思路。本期从介绍地线造成干扰的原理入手，使读者了解设计地线的关键和原则。

1 什么是地线？
　　地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线，后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地，因此这里仅讨论信号地的问题。
信号地的一般定义是：电路的电位参考点。
　　更恰当地说，这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。从现在开始，我们在分析电磁兼容问题时，使用下面的定义。
　　地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。
　　既然地线是电流的一个路径，那么根据欧姆定律，地线上是有电压的；既然地线上有电压，说明地线不是一个等电位体。这样，我们在设计电路时，关于地线电位一定的假设就不再成立，因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。

2 地线的阻抗有多大？
　　一个难以理解的问题是，我们在设计地线时，都使地线的电阻很小，那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。理解这个问题，要理解地线阻抗的组成。
　　地线的阻抗Z由电阻部分和感抗部分两部分组成，即：Z = RAC + jωL。

　　电阻成分：导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电流，由于趋肤效应，电流集中在导体的表面，导致实际电流截面减小，电阻增加，直流电阻和交流电阻的关系如下：
　　RAC= 0.076rf1/2RDC
式中：r=导线的半径，单位cm，f=流过导线的电流频率，单位Hz， RDC= 导线的直流电阻，单位Ω。

　　电感成分：任何导体都有内电感（这区别于通常讲的外电感，外电感是导体所包围的面积的函数），内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下：
　　L=0.2S[ln(4.5/d) -1] （μH）
式中S=导体长度(m)，d=导体直径(m)
　　表1说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻，从表中可以看出，随着频率升高，阻抗增加很快，当频率达到100MHz以上时，直径6.5mm长度仅为10cm的导线也有数十欧姆的阻抗。

表1 不同直径、长度的导线的阻抗

3 地环路干扰及对策
　　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设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压（图1）。
　　由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此在实践中，有时会发现，当将一个设备的地线断开时，干扰现象消失，这是因为地线断开时，切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合，当干扰频率高时，短开地线与否关系不大。

　　地环路干扰形成的原因1：两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个电压的驱动下，“设备1-互联电缆-设备2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线，在地线中引起较强电流，而地线又有较大阻抗产生的。

　　地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在“设备1 - 互联电缆 - 设备2 - 地”形成的环路中感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰。

　　解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有三个：一个是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压，但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当阻抗无限大时，实际是将地环路切断，即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑，这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构，将一个机箱的地线连接到另一个机箱上，通过另一个机箱接地，这就是单点接地的概念。

4 公共阻抗耦合及对策
　　当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就发生了公共阻抗耦合，如图2(a) 所示。

图2

　　一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响，即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制，另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。
　　放大器级间公共地线耦合问题：图2(a) 中的放大器，由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线，功率放大电路的地线电流很大，因此在地线上产生了较大的地线电压V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中，如果满足一定的相位关系，就形成了正反馈，造成放大器自激。
　　解决办法：可以有两个解决办法，一个是将电源的位置改变一下，使它靠近功率放大电路，这样，就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了，如图2 (b) 所示。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源，这实际是改成了并联单点接地结构，如图2 (d) 所示。

5 接地策略

图3

　　信号地有图3所示的几种方式。
　　单点接地：所有电路的地线接到公共地线的同一点，进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路，相对简单。但地线往往过长，导致地线阻抗过大。
　　多点接地：所有电路的地线就近接地，地线很短，适合高频接地。问题是存在地环路。
　　混合接地：在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性，使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。
　　串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题，解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多，而没有可实现性。因此，灵活的方案是，将电路按照信号特性分组，相互不会产生干扰的电路放在一组，一组内的电路采用串联单点接地，不同组的电路采用并联单点接地。如图4所示。这样，既解决了公共阻抗耦合的问题，又避免了地线过多的问题。