電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)

1、電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.2 接地接地 所謂“地”一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)。直流電壓的零電 位點(diǎn)或零電位面不一定為實(shí)際的大地（建筑地面），可以是設(shè)備的外 殼或其他金屬板線。 “接地”一般指電路或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻通路，其中一點(diǎn)通 常是系統(tǒng)的一個(gè)電氣或電子元件，而另一點(diǎn)則是稱之為“地”的參考 點(diǎn)。例如當(dāng)所說的系統(tǒng)組件是設(shè)備中的一個(gè)電路，則參考點(diǎn)就是設(shè)備 的外殼或接地平面。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.2.1 接地平面的要求接地平面的要求 1、接地平面應(yīng)是零電位，它作為系統(tǒng)中各電路任何位置所有電信號 的公共電位參考點(diǎn)。 2、理想的接

2、地平面應(yīng)是零電阻的實(shí)體，電流在接地平面中流過時(shí)應(yīng) 沒有壓降，即各接地點(diǎn)之間沒有電位差，或者說各接地點(diǎn)間電壓與線 路中任何功能部分的電位比較均可忽略不計(jì)。 3、良好的接地平面與布線間將有大的分布電容，而平面本身的引線 電感將很小，理論上它必須能吸收所有信號，而使設(shè)備穩(wěn)定地工作， 接地平面應(yīng)采用低阻抗材料制成，并且有足夠的長度、寬度和厚度， 以保證在所有頻率上它的兩邊之間均呈現(xiàn)低阻抗。用于安裝固定式裝 備的接地平面應(yīng)由整塊銅板或銅網(wǎng)組成。 4、良好的接地平面盡量減低多電路公共接地阻抗上所產(chǎn)生的干擾電 壓，同時(shí)還要盡量避免形成不必要的地回路。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.2.

3、2 2.2.2 安全接地與信號接地安全接地與信號接地 電路和電設(shè)備的接地，按其作用可分為安全接地與信號接地。所謂安 全接地就是將電器、電子設(shè)備的外殼利用低阻導(dǎo)體連至大地上，使人 員觸及外殼時(shí)不易發(fā)生電擊危險(xiǎn)。 圖2-8 機(jī)殼帶電的兩種情況 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 例如，機(jī)殼通過雜散阻抗帶電，或因絕緣擊穿而帶電，如圖2-8所示。 在圖（a）中，U1為電子設(shè)備中電路的電壓，Z1為電路與機(jī)殼間的雜 散阻抗，Z2為機(jī)殼與地之間的雜散阻抗，U2為機(jī)殼與地之間的電壓。 U2是由機(jī)殼對地的阻抗Z2上的分壓形成的，即式中U1和U2均為電壓 向量，當(dāng)機(jī)殼與地絕緣，即Z2 Z1時(shí)，則U2=

4、U1。如果U1足夠大， 人觸及機(jī)殼時(shí)就會發(fā)生危險(xiǎn)。所以，為了人身安全，機(jī)殼應(yīng)接地，使 Z20，從而使U20。 圖2-9 交流配電電路 （210） 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 又如，室內(nèi)交流配線可采用如圖2-9所示的接法。圖中“火線”上接 有保險(xiǎn)絲，負(fù)載電流經(jīng)“火線”至負(fù)載再經(jīng)“中線”返回。還有一根 線是安全地線，該線與設(shè)備機(jī)殼相連并與“中線”連接于一點(diǎn)。因而 線上平時(shí)沒有電流，所以沒有電壓降，與之相連的機(jī)殼都是地電位， 只有發(fā)生故障，即絕緣被擊穿時(shí)，安全地線上才會有電流。但該電流 是瞬時(shí)的，因?yàn)楸ｋU(xiǎn)絲或電流斷路器在發(fā)生故障時(shí)會立即切斷電路。 信號接地的目的是為信號電壓提供一

5、個(gè)零電位的參考點(diǎn)，對于電子設(shè) 備，將它的底座或外殼接地，除了用于防止內(nèi)部高壓回路與外殼相連 以保證安全外，更重要的是為了在電子設(shè)備內(nèi)部提供一個(gè)作為電位基 準(zhǔn)的導(dǎo)體，以保證設(shè)備的工作穩(wěn)定，這個(gè)導(dǎo)體稱為接地面，設(shè)備的底 座和外殼往往通過它來接地。該大面積導(dǎo)體相對大地的電位一旦出現(xiàn) 不穩(wěn)定，就會引起設(shè)備工作的不穩(wěn)定，例如圖2-10所示的電路，在放 大器輸入回路的導(dǎo)體和大地之間，由于寄生電容耦合而感應(yīng)出干擾電 壓，如果將設(shè)備底座和機(jī)殼等大面積導(dǎo)體與大地連接，就會使之保持 真正的零電位，這種措施對工作穩(wěn)定和防止電場干擾有重要作用。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 圖2-10 設(shè)備外殼不接

6、地時(shí)的干擾 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.2.3 信號接地的接地方式信號接地的接地方式 信號地線是指信號電路的地線或有信號電流流通的地線，交流電源的 地線不能用作信號地線，因?yàn)橐欢坞娫吹鼐€的兩點(diǎn)間會有數(shù)百微伏， 甚至幾伏的電壓，這對低電平的信號電路來說是一個(gè)非常嚴(yán)重的干擾。 信號地線的接線方式有共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地、獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接 地和獨(dú)立地線并聯(lián)多點(diǎn)接地等。如圖2-11。 圖2-11 信號地線的接地方式 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 1、共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地、共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地 圖2-12為一共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地的示例。圖中自點(diǎn)A到接地點(diǎn)G的 一

7、段地線為電路1、2、3的共用地線，AB段為電路2、3的共用地線。 圖2-12 共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 設(shè)R1、R2、R3分別為接地點(diǎn)G至A點(diǎn)，AB段，BC段的地線的阻抗， I1、I2、I3分別為電路1、2、3的電流，則： A點(diǎn)的電位為： UA=（I1+I2+I3）R1 B點(diǎn)的電位為： UB=（I1+I2+I3）R1+（I2+I3）R2 C點(diǎn)的電位為： UC=（I1+I2+I3）R1+（I2+I3）R2+I3R3 由此可見，A、B、C點(diǎn)的電位不為零，且受到其它電路電流的影響， 從防止噪聲和抑制干擾的角度出發(fā)，這種接地方式是最不適用的。但 由于比較簡單

8、，用的場合仍然較多，當(dāng)各電路的電平相差不大時(shí)可以 使用。若各電路的電平相差很大，因?yàn)楦唠娖诫娐穼a(chǎn)生很大的地 電流，形成大的地電位差并干擾到低電平電路，因而不可使用。 使用串聯(lián)一點(diǎn)接地方式時(shí)，要把低電平電路放在距接地點(diǎn)最近的地方， 即圖2-12中的A點(diǎn)，因?yàn)樵擖c(diǎn)最接近地電位，受其它電路影響最小。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2、獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地、獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地 這種接地方式也簡稱為單點(diǎn)接地，所謂單點(diǎn)接地是指在一個(gè)線路中， 只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)。其它各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接 接到這一點(diǎn)上。如圖2-13所示。如果系統(tǒng)包含多個(gè)機(jī)柜，則每個(gè)機(jī)柜 的接地系統(tǒng)分別

9、采用單點(diǎn)接地使機(jī)柜和電子線路的接地能夠保持獨(dú)立。 各機(jī)柜接地點(diǎn)之間的互相連接僅在整個(gè)系統(tǒng)的單一參考點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)。這 樣就使各機(jī)柜隔離開，以防止一個(gè)接地系統(tǒng)的環(huán)路電流影響其它的接 地系統(tǒng)。 圖2-13 獨(dú)立地線的一點(diǎn)并聯(lián)接地 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 在圖2-13中，各電路分別用地線接于一個(gè)接地點(diǎn)G，顯而易見，各電 路的地電位分別為： A點(diǎn)： UA=I1R1 B點(diǎn)： UB= I2R2 C點(diǎn)： UC= I3R3 因此這種接地方式的優(yōu)點(diǎn)是各電路的地電位只與本電路的地電流及地 線阻抗有關(guān)，不受其它電路的影響。但該接地方式存在下面兩個(gè)缺點(diǎn)： 需要多根地線，用起來比較麻煩，且結(jié)構(gòu)笨重。由

10、于分別接地，勢必 會增加地線長度，從而增加了地線阻抗。這種接地方式會造成各地線 相互間的耦合，且隨著頻率增加，地線阻抗、地線間的電感及電容耦 合都會增大； 這種接地方式不適用于高頻。如果系統(tǒng)的工作頻率很高，以至工作波 長=c/f縮小到可與系統(tǒng)的接地平面的尺寸或接地引線的長度比擬時(shí)， 就不能再用這種接地方式了。因?yàn)?，?dāng)?shù)鼐€的長度接近于/4時(shí)，它 就象一根終端短路的傳輸線，輸入阻抗為無窮大，即相當(dāng)于開路，此 時(shí)不僅起不到接地作用，而且地線將有很強(qiáng)的天線效應(yīng)向外輻射干擾 信號，因此這種接地方式只適用于低頻。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 3、多點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地 多點(diǎn)接地是指某一個(gè)系

11、統(tǒng)中各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到距它最近的 接地平面上，以使接地線的長度最短，如圖2-14所示，這里說的接地 平面，可以是設(shè)備底座，也可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的接地線，在比較大 的系統(tǒng)中還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等。 圖2-14 多點(diǎn)接地方式 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 在圖2-14中，各電路的地線分別連至最近的低阻抗公共地，設(shè)每個(gè)電 路的地線電阻及電感分別為R1、R2、R3和L1、L2、L3，每個(gè)電路的 地線電流分別為I1、I2、I3，則各電路對地的電位差為： U1=I1（R1+jL1） U2=I2（R2+jL2） U3=I3（R3+jL3） 為了降低電路的地電位，每個(gè)電路的地線應(yīng)盡

12、可能縮短，以降低地線 阻抗。但在高頻時(shí)，由于集膚效應(yīng)，高頻電流只流經(jīng)機(jī)殼表面，即使 加大機(jī)殼厚度也不能降低阻抗。為了在高頻時(shí)降低地線阻抗，通常要 將地線和公共地鍍銀。在導(dǎo)體截面積相同的情況下，為了減小電阻， 常用矩形截面導(dǎo)體做成地線帶。 此種接地方式的優(yōu)點(diǎn)是地線較短，適用于高頻情況，其缺點(diǎn)是形成了 各種地線回路，造成地回路干擾，這對設(shè)備內(nèi)同時(shí)使用的具有較低頻 率的電路會產(chǎn)生不良影響。 綜上，單點(diǎn)接地適用于低頻，多點(diǎn)接地適用于高頻，一般來說，頻率 在1MHZ以下可采用一點(diǎn)接地方式；頻率高于10MHZ應(yīng)采用多點(diǎn)接地 方式；頻率在1MHZ10MHZ之間，如用一點(diǎn)接地，其地線長度不得 超過0.05（波

13、長），否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 4、混合接地、混合接地 如果電路的工作頻帶很寬，在低頻情況需采用單點(diǎn)接地，而在高頻時(shí) 又需采用多點(diǎn)接地，此時(shí)，可以采用混合接地方式。混合接地系統(tǒng)在 不同的頻率呈現(xiàn)不同的接地結(jié)構(gòu)，如圖2-15所示。 圖2-15 混合接地 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 圖2-15（a）所示的是低頻時(shí)單點(diǎn)接地，高頻時(shí)多點(diǎn)接地的接地系統(tǒng)。 這種接地系統(tǒng)用在要抗高頻干擾的傳輸?shù)皖l信號的屏蔽電纜上，由于 傳輸?shù)皖l信號，需要單點(diǎn)接地，而在高頻時(shí)，電纜是多點(diǎn)接地的。 圖2-15（b）所示的接地系統(tǒng)是低頻時(shí)多點(diǎn)接地，而高頻時(shí)單點(diǎn)接地。

14、 這種接地系統(tǒng)用的不是那么普遍，主要用在出于安全考慮，多個(gè)機(jī)箱 需要接到安全地上而希望電路單點(diǎn)接地的場合。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.3 地回路干擾地回路干擾 2.3.1 接地公共阻抗產(chǎn)生的干擾接地公共阻抗產(chǎn)生的干擾 兩個(gè)不同的接地點(diǎn)之間存在一定的電位差，稱為地電壓。這是由于兩 接地點(diǎn)之間總有一定的阻抗，地電流流經(jīng)接地公共阻抗，在其上產(chǎn)生 了地電壓，此地電壓直接加到電路上形成共模干擾電壓。例如，圖2- 16所示的接地回路，來自直流電源或者高頻信號源的電流經(jīng)接地面返 回。由于接地面的公共阻抗非常小，所以在電路的性能設(shè)計(jì)時(shí)往往不 予考慮。但是，對電磁干擾而言，在回路中必須

15、考慮接地面阻抗的存 在。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 圖2-16 公共接地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 因此，在圖2-16中所示的干擾回路和被干擾回路之間存在一個(gè)公共阻 抗Zi，該公共阻抗上存在的電壓為Ui=U1+U2 = ZiI1+ZiI2。對被干擾 回路而言，ZiI1= U1是電磁干擾電壓，而ZiI2=U2是對負(fù)載電壓降的 分壓，由于RL2 |Zi|，因此，一般情況下ZiI2對負(fù)載電壓降的影響可 以忽略不計(jì)，僅考慮I1所引起的電磁干擾電壓對負(fù)載的作用。如果不 考慮被干擾回路的電流I2在接地公共阻抗Zi上的作用，即令U2=0，則 干擾

16、回路(電路1)中的電流I1在接地公共阻抗Zi上產(chǎn)生干擾電壓Ui=U1， 此電壓降使被干擾回路的負(fù)載RL2受到干擾，其干擾電壓為: iL2 n1 g1L1g2L2 Z R UU (RR )(RR) （2-11） 由此可知，被干擾回路的負(fù)載RL2受到的干擾是電路1干擾源U1的 函數(shù)。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.3.2 接地電流與地電壓的形成接地電流與地電壓的形成 電子設(shè)備一般采用具有一定面積的金屬板作為接地面，由于各種原因 在接地面上總有接地電流通過，而金屬接地板兩點(diǎn)之間總存在一定的 阻抗，因而產(chǎn)生接地干擾電壓。可見接地電流的存在是產(chǎn)生接地干擾 的根源，而接地電流產(chǎn)生的原

17、因主要有以下幾種。 由導(dǎo)電耦合而引起的接地電流，在許多情況下采用兩點(diǎn)接地或多點(diǎn) 接地，即通過兩點(diǎn)或多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與接地面連接，因此形成接地回路，通 過接地回路將流過接地電流，如圖2-17所示。 圖2-17 導(dǎo)電耦合的地電流回路圖 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 由電容耦合形成的接地電流，由于回路元件與接地面之間存在分布 電容，通過分布電容可形成接地回路，電路中的電流總會有部分電流 泄漏到接地回路中，如圖2-18所示。(a)表示導(dǎo)電藕合和電容藕合而形 成的接地回路，并通過接地回路流過接地電流。(b)表示在阻抗元件的 高電位和低電位兩點(diǎn)上的分布電容所形成的接地回路，當(dāng)該回路處于 諧振狀態(tài)

18、時(shí)，接地電流將很大。 (a)導(dǎo)電與電容耦合 (b)電容耦合 圖2-18 電容耦合接地回路 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 由電磁耦合形成的感應(yīng)地電流，當(dāng)電路中的線圈靠近設(shè)備殼體時(shí)， 殼體相當(dāng)于只有一匝的二次線圈。它和一次線圈之間形成變壓器耦 合，機(jī)殼內(nèi)因電磁感應(yīng)將產(chǎn)生接地電流，而且不管線圈的位置如何， 只要有變化磁通通過殼體，就會產(chǎn)生感應(yīng)地電流。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.3.3 地回路干擾地回路干擾 從上述分析可以看出，由接地共阻抗以及傳輸導(dǎo)線或金屬機(jī)殼的天線 效應(yīng)等因素在地回路中會形成干擾電流與電壓，該干擾電壓通過各種 地回路感應(yīng)到受害電路的輸入端

19、，而形成地回路干擾。 圖2-19（a)給出地環(huán)路干擾的實(shí)際電路，共模干擾電壓Ui，使回路 ABCDEFGHA及ABCIJ FGHA上流動(dòng)干擾電流，由于這兩個(gè)回路的阻 抗不同，因此，該干擾電流在放大器輸入端將會產(chǎn)生一干擾電壓，地 回路干擾將以電路結(jié)構(gòu)及傳輸線類型的不同而有不同的性質(zhì)。圖2- 19(b)為地回路干擾的等效電路。 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) （a） 地回路干擾 （b） 地回路干擾的等效電路 圖2-19 地回路干擾示意圖 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2.3.4 抑制地回路干擾的技術(shù)措施抑制地回路干擾

20、的技術(shù)措施 地回路干擾與接地點(diǎn)的位置及接地點(diǎn)的個(gè)數(shù)有直接關(guān)系，因此在進(jìn)行 接地設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)選擇，包括選擇接地點(diǎn)的位置及 接地點(diǎn)的個(gè)數(shù)。 1、放大器與信號源的接地點(diǎn)選擇、放大器與信號源的接地點(diǎn)選擇 圖2-20顯示的是一個(gè)信號源與放大器連接的電路。如果信號源在A點(diǎn) 接地，放大器在B點(diǎn)接地，則兩接地點(diǎn)A、B之間存在地電位UG。 RC1和RC2為信號源與放大器連接導(dǎo)線的電阻。由圖可見，此時(shí)加至 放大器輸入端的電壓為UIN=US+UG。為了剔除地電壓的干擾，應(yīng)采 取一點(diǎn)接地。通常采用B點(diǎn)接地，而A點(diǎn)不接地。 圖2-20 放大器與信號源的接地點(diǎn)選擇 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑

21、制基礎(chǔ) 在圖2-21中，導(dǎo)線電阻RC1和RC2一般很小，通常在1以下（如都取 1）。兩接地點(diǎn)A、B之間存在的地電阻RG更?。ㄈ?.01），信號 源的內(nèi)阻RS較大（如500），放大器的輸入阻抗更大（如10k）， 圖2-20所示電路的等效電路可用圖2-21來表示。 圖2-21 放大器與信號源的接地干擾分析 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 2、多級電路接地點(diǎn)的選擇、多級電路接地點(diǎn)的選擇 多級電路的接地點(diǎn)應(yīng)選擇在何處為宜？一般來說，電子設(shè)備中的低電 平級電路是受干擾的電路，因此，接地點(diǎn)的選擇應(yīng)使低電平級電路受 干擾最小。 圖2-22 多級電路的接地 電磁干擾電磁干擾EMI噪聲抑制基礎(chǔ)噪聲抑制基礎(chǔ) 圖2-22所示的A、B、C三級電