设计光电设备电磁兼容接地问题浅析。

1引言

光电设备具有结构精密，电路复杂，高低频交错、强弱信号交叉等特点，既易受干扰也易引起干扰。电磁兼容设计是光电设备实现功能、充分发挥系统效能的重要保证。电磁兼容是研究在有限的空间、时间和频谱资源等条件下，各种用电设备可以共存并不致引起降级的一门科学。电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境下正常工作并不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁骚扰是指任何可能引起装置、设备或系统性能降级，或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象…1。
电磁骚扰引起的后果即电磁干扰，是电磁骚扰源发射的电磁能量经过耦合途径传输到敏感设备的过程。电磁干扰的三要素是：电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。
地线是电流流回源的最低阻抗路径，是为电路和系统提供参考基准的等电位或面。适当的接地是解决电磁兼容问题的有效技术措施，利于抑制骚扰源、消除或减弱骚扰耦合、降低敏感设备对骚扰的响应或增加电磁敏感性电平。
2地线干扰分析
按照功能地线可以分为两类：
安全地——为保护工作人员和设备的安全的接地，旨在消除危险电压，防止因积累电荷而产生静电放电现象。
“零电位”地——为电路提供参考基准电位的接地，同时引走高频干扰。
2.1地线的主要特性
2.1.1接地电阻
接地电阻指直流状态下地线对电流呈现的阻抗，由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。根据欧姆定律，J=U／R。当电流流过地线时，其上将产生电压，接地电阻R越大，则电压U越大，不但会产生共地阻抗，而且可能对设备造成反击过电压，甚至电击伤害人员的危险。
如果垂直接地极地电阻为尺，则

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中的深度，单位rn；d为接地极的直径，单位ITI。由公式1可得，P和L越小，d越大，则R越小。
2.1.2地线的阻抗
地线的阻抗指交流状态下地线对电流的阻抗，主要由导线电感引起㈦2。电流通过有限阻抗时会引起地线电位波动，导致电路误动作。地线LCR网络模型描述的等效电路见图1。底线阻抗与直流电阻和频率成正比，导线越长，频率越高，阻抗越大。
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如表1所示，相同频率、相同宽度的印制线，导线越长的阻抗越大；相同频率、相同长度的印制线，线宽越小阻抗越大；相同线宽、相同长度的导线，频
率越高阻抗越大。线长3m，线宽分别为lmm和3mm的印制线，10kHz时的阻抗分别为100MHz时的2.8倍和1.1倍，可见增加导线直径对于减小直
流电阻是十分有效的，但对于减小交流阻抗的作用很有限。
2.1.4趋肤效应
趋肤效应指射频／，微波信号沿导线传输，信号频率越高，越是沿导体表面传输，而导体内核承载的电流越小的现象。导线实际承载电流的导体表面深度
被称为这个导体对这个频率信号的“趋肤深度”，频率越高“趋肤深度”越大。
2.2来自地线的主要问题

2.2.1地环路干扰
由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电路运行时，地线中会流过很强的电流，这个电流会在两个设备的连接电缆上驱动电流。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，对电路造成影响。由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此成为地环路干扰。地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。

2.2.2公共阻抗耦合
当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。在数字电路中，信号的频率较高，地线往往呈现较大的阻抗，如果不同电路共用一段地线，就可能出现公共阻抗耦合现象。
3实现电磁兼容的接地措施
接地的要点是电位相同、内部电路不互相干扰并抵御外来干扰，尽量减少导线电感引起的阻抗，增加地环路的阻抗，减少地环路的干扰。
3.1降低接地电阻
a.降低接地线电阻，选用总截面大和长度短的多股细导线；
b.降低接触电阻，接地线与接地螺栓、接地极紧密牢靠连接，增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度；
C.降低地电阻，增加接地极的表面积和增加土壤的导电率(如在土壤中注入盐水)。
3.2减小地线阻抗
减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。包括使用扁平导体作地线，用多条相距较远的并联导体作接地线。对于印刷线路板，在双层板上布地线网格或者在多层板中专门用一层作地线层都能有效地减小地线阻抗。对于导线，多根导线并联是减小交流阻抗的有效办法。当两根导线并联时，其总电感L为
L=(Ll+M)／2(2)
式中Ll为单根导线的电感；M为两根导线之间的互感。
由式(2)可以看出，当两根导线相距较远时，他们之间的互感很小，总电感相当于单根导线电感的一半，因此可以通过多条接地线来减小接地阻抗。
但要注意，多根导线之间的距离不能过近。

3.3消除地环路干扰
地线阻抗和地环路电流是地环路干扰的主要成因，因此在减小地线阻抗的同时，还应减小地环路电流。
a.使用共模扼流圈
在连接电缆上使用共模扼流圈增加了地环路阻抗，在一定的地线电压下地环路电流减小。但共模扼流圈的匝数越多，寄生电容越大，高频隔离效果越差。
b.使用光隔离器
用光传输信号以切断地环路是解决地环路干扰问题最理想的方法。一般采用光耦器件或光纤。光耦的寄生电容通常为2pF，能够在很高的频率实现良好隔离。光纤几乎没有寄生电容，但安装复杂、成本高。
C.使用变压器实现设备之间的连接
利用变压器磁路连接两个设备能够切断地环路电流。但变压器初次级之间存在的寄生电容，寄生电容越大，耦合电压也越大，不利于抑制高频地环路电流，所以要尽量减小初次级之间的寄生电容，在初次级之间设置良好屏蔽可为1MHz以下频率提供有效隔离而避免高频耦合。
3.4消除公共阻抗耦合
消除公共阻抗耦合的途径除了减小公共地线部分的阻抗来减小公共地线上的电压，还要通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，尤其强调强电电路和弱电电路隔离，数字电路、模拟电路、功率电路隔离，信号地线与功率地和机壳地绝缘。
电路的接地方式基本上有：单点接地、多点接地、混合接地、多级接地、浮地。
3.4.1单点接地
单点接地是指在一个线路中只有一个物理点被定义为接地参考点，其它接地点都与这个点连接，目的是降低直流和低频电流在结构中的流通。工作频率小于1MHz的低频电路受电感影响小，受地环路电流影响大，应采取单点接地130；工作频率在1—10MHz，地线长度不超过波长的1／20可以采用单点接地。多个电路的单点接地方式有串联和并联两种，见图2。
串联接地优点是接地导线少，缺点是会产生共地阻抗的电路性耦合，所以适用于相互干扰较少的电路。多个单元电路组成的多级电路采用串联式单点接地方式，接地点应选在低电平电路的输入端，使其最接近参考地。
并联单点接地适用于相互干扰较多的低频电路，缺点是接地导线过多。
结合两种方式的优缺点，先将电路按照强信号、弱信号、模拟信号、数字信号等分类，相同类型电路内部用串联单点接地，不同类型的电路间采用并联单点接地。

3.4.2多点接地
多点接地是指系统中各个接地点都直接接到最近的地平面上，如图3所示。多点接地适合工作频率高于30MHz的电路H]。由于接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率增高将增加共地阻抗，增大共地阻抗将产生电磁干扰，所以地线的长度尽量短，接地面阻值尽量低且尽量一致。
3.4.3混合接地(复合接地)
混合接地指将高频接地点利用旁路电容和接地平面连接起来，即单点13(2、多点RF方式，见图4。混合接地适用于工作频率介于1～30MI-Iz，接地线
的长度大于工作信号波长1／20的电路，以防止旁路电容和引线电感构成的谐振现象。

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效果取决于浮地绝缘电阻、寄生电容和信号频率。
3.5屏蔽体接地
3.5.1系统的屏蔽接地
将系统屏蔽，并将屏蔽体接大地，既能限制内部电磁波向外辐射，也能阻挡外部电磁波向内辐射，抑制空间传播电磁干扰。
。
3.5.2电缆的屏蔽层接地
低频电路电缆的屏蔽层接地应采用单点接地的方式，接地点应当与电路的接地点一致。对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，各屏蔽层应相互绝缘。
高频电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式。电缆长度大于工作信号波长的O.15倍时，采用工作信号波长的0.15倍的间隔多点接地，若实现困难至少应将屏蔽层两端接地。
3.5.3电路的屏蔽罩接地
信号电路与屏蔽罩之间存在寄生电容，因此要将信号电路末端与屏蔽罩相连，以消除寄生电容的影响，并将屏蔽罩接地，以消除共模干扰。
3.5.4交变电场屏蔽
为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，在干扰源和敏感电路之间设置导电好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地，减小对敏感电路的耦合干扰电压。
3.6正确选取与搭接地线
根据趋肤效应，可以用三个参数评价接地导线：

导线总电阻、导线最大电流通量、导线截面总周长。
高频电路应采用导线截面总周长大的导线。
搭接是在两个金属体之间建立低阻抗通路，为电流提供匀称结构体，使搭接金属面成为等电位面。搭接方式分为直接搭接和间接搭接。直接搭接指直接将要连接的两个金属面保持接触；间接搭接指搭接体之间以金属导线相连，适用于移动设备和安装防震垫设备倒5。
4结论
接地是光电设备电磁兼容设计的重要内容，有利于保护设备及人身安全，以及光电设备正常可靠工作。地线造成电磁干扰的主要原因是它存在阻抗和感抗，在电流通过时会产生电压并形成地环路干扰，两个电路共用一段地线时会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有增加地环路的阻抗、切断地环路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公用地线部分的公共阻抗并采用适当的接地方式。