关于电磁兼容系统中的接地问题探讨

汪成鹏李杜康张兴

摘要：电磁兼容（EMC）是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。为了使电子设备和系统具有良好的电磁兼容性能，需要采取合理有效的方法抑制干扰源，消除或减弱干扰耦合，增加敏感部份抗干扰能力。这就要利用各种抑制干扰技术，包括合适的接地，良好的搭接，合理的布线、屏蔽、滤波和限幅等技术，而接地技术是实现设备电磁兼容性的重要环节。本文对接地常见问题进行分析，然后对接地技术进行探讨，以便于科研人员采用正确的接地方式来解决电磁干扰问题。

关键词：电磁兼容；接地；EMC；电磁干扰

1接地带来的常见问题

传统概念中的“接地”暗指：从直流性能的观点出发来考虑，“地”是一个零阻抗的等位面。但是，在EMC的概念中，它不适用，因为在研究电磁兼容时，所有的导体都有一定的阻抗（电阻或感抗），“地”也不例外，因此，流经该“地面”的任何电流在该阻抗上的压降都将在其表面导致各点的电位不同，接地系统中存在的典型问题是共阻抗耦合和地环路干扰。分别见图1和图2。

图1是共阻抗耦合，回路电流流经地平面，由于地平面上存在的阻抗造成了各系统的接地点的电位不同。如图所示，系统1（S1＃）和系统2（S2＃）的接地点的电位为：

U1＝（I1＋I2）Z1（1）

U2＝（I1＋I2）Z1＋I2Z2（2）

从式（1）和式（2）可以看出，子S2＃中产生的信号会包含在它的接地回路电流I2中，又通过I2Z1影响到S1＃的接地电位U1，即子S1＃的接地点以正比于子S2＃中的信号的变化而变化。因此，子S2＃中的信号将通过地的非零阻抗和两系统的公共地回路耦合到子S1＃中。反之，子系统1中的信号会通过I1Z1影响子S2＃的接地点电位U2。这就是共阻抗耦合如何产生的。

图2为地环路干扰，它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。地环路包括地线与信号线构成的环路、地线与电源线构成的环路以及地线与地线构成的环路。地环路非常容易产生干扰，如，由于环路中电流的流动及电路的不平衡性产生的差模电压，对电路会造成干扰。当大功率设备共用环路地线时，在地线中引起较强电流，如果地线阻抗较大，则会产生干扰电压。高频电磁场会在环路中感应出环路电流，也会对电路造成干扰。

2电磁兼容中用到的接地方式

关于信号接地的方式基本上有2种：单点接地和多点接地。单点接地指的是系统中只有一点被定义为接地点，其他需要接地的信号接地线都直接接在该点上，如图3所示。使用单点接地的目的一是为了防止两个不同子系统中的电流使用相同的回路返回而产生共阻抗耦合；二是为了防止形成地回路，避免通过地回路的电流相互影响，防止引入地环路干扰。如果单点接地的连接线较长，可能会有很大的阻抗，而且这些连接线上的电流有可能向其他接地导线进行辐射，并在子系统之间产生耦合，产生辐射发射问题。因此，单点接地适合应用在低频子系统。而且低频电路中布线与元件间的杂散电感比较小，互相影响较小。单点基地又分为串联单点接地和并联单点接地。串联单点接地是指各子系统通过一点与接地母线相连，这样可以避免接地回路问题，如图3所示。各子系统接地点的电位为：

U1＝（I1＋I2＋I3）Z1（3）

U2＝（I1＋I2＋I3）Z1＋（I2＋I3）Z2（4）

U3＝（I1＋I2＋I3）Z1＋（I2＋I3）Z2＋I3Z3（5）

由式（3）至式（５）可知，各子系统接地点的电位不仅不为零，而且还受其他系统的影响。因此，从防止噪声和抑制干扰的角度出发，这种接地方式不太适用。但这种接地方式的优点在于结构比较简单，各系统的接地线较短、阻抗较小。在选择串联单点接地时，为了尽量降低重叠的地线对各子系统之间的干扰，各子系统与接地母线的连接线长度应小于λ／20；而多级电路的接地点应选在低电平电路的输入端，使该端最接近于基准电位，同时输入级的接地线也可缩短，使受干扰的可能性最小。并联单点接地指的是各系统的接地线连接在一起，然后与一个公共接地点相连，如图４所示。各子系统接地点的电位为：

U1＝I1Z1；U2＝I2Z2；U3＝I3Z3（6）

从式（６）可以看出，各子系统的接地点电位仅与各自的地电流以及地线阻抗有关，不受其它系统影响，可以避免地线共阻抗耦合问题，并有效降低各部件之间的直接传导耦合。在使用并联单点接地时，对子系统很多的情况，需要很多根地线，且长度可能较长，地线阻抗增加，这些导线上的回路电流有可能向其他接地导线进行有效辐射，并在子系统之间产生耦合，因此并联单点接地不适用于高频系统。在采用并联单点接地方式时，每根地线的长度都不允许超过λ／2０。

多点接地指的是将一个大的接地导体（接地平面）作为接地系统中信号的回路，然后各子系统的地分别与该接地导体在不同点相连，如图５所示。多点接地方式使各子系统就近接地，从而可以使各子系统的接地引线长度做到尽可能的短。因为较短的地线可以降低各子系统的地电位，而且当地线长度与工作波长λ相近时，地线上的电流和电压呈驻波分布，这样地线就变成了辐射天线。在使用多点接地时需要注意的是：各子系统地与接地平面的连接点在所考虑的频率段上任意两点之间的阻抗都非常低。

从电磁兼容的理论和分析经验来考虑，一般系统的工作频率在1MHZ以下时，可以使用单点接地；10MHZ已上时，可以用多点接地；在1MHZ和10MHZ之间时，如果最长的接地线不超过波长的1／20，可以用单点接地，否则用多点接地。

3结语

接地设计是电磁兼容设计的重要组成部分，是抑制电磁干扰、提高电子设备EMC性能重要手段。在实际的工程系统中，情况比较复杂，很难只采用一种接地方式就能达到很好的电磁兼容效果，而是常常采用串联和并联及单点和多点接地组合的混合接地方式，特别是在同时包含低频和高频混合电路的电子设备或系统中应用较多。在电磁兼容设计的开始就先进行接地设计，是解决产品EMC问题最方便、有效、低廉的方法。

参考文献

[1]王志成.星载电子设备电磁兼容接地设计[J].无线电工程,2010,40(11)：49-50.

[2]徐成焱.产品设计中“接地”对EMC影响的研究[J].信息技术与信息化,2015,10(5)：121-123.