一起偶然的不當(dāng)接地所引發(fā)的電磁干擾

1、 電子發(fā)燒友 電子技術(shù)論壇一起偶然的不當(dāng)接地所引發(fā)的電磁干擾An Unwonted EMI Caused by Improper Grounding上海埃德電子股份有限公司（上海市 200237） 柳光福摘要：本文記述了一起罕見(jiàn)的、因接地不當(dāng)形成地回路引起電磁干擾(EMI)的案例。詳細(xì)介紹了這一奇怪現(xiàn)象和控制EMI的全過(guò)程。通過(guò)深入調(diào)查研究，分析了引起EMI的原因和控制措施；在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上闡述了在電纜敷設(shè)和接地設(shè)計(jì)時(shí)注意控制地回路的意義。關(guān)鍵詞： 電磁干擾(EMI)，接地，接地樁，地回路AbstractAn Unwonted EMI Caused by Improper Grounding

2、 is described in this paper. Its phenomenon is recorded. Analyzing and controlling procedures are illuminated in step by step. From this EMI accident we have had a lesson, and realize the relationship between EMI and grounding loop, and pay more attenuation on cabling and grounding design in order t

3、o control the grounding loop area as small as possible.,KeywordsElectromagnetic Interference (EMI), Grounding, Grounding stick. Grounding loop一前言提起接地，每個(gè)從事電子電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，不管是從事弱電還是強(qiáng)電都很熟悉。因?yàn)槊總€(gè)電路，每個(gè)設(shè)備，每個(gè)分系統(tǒng)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都要碰到這個(gè)問(wèn)題，都要處理好這個(gè)問(wèn)題。因此，在電子電路設(shè)計(jì)的教科書(shū)，電磁兼容性(EMC)原理和設(shè)計(jì)手冊(cè)中，都較詳細(xì)地對(duì)接地進(jìn)行了論述。例如，單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、浮地、混合接地等等。

4、讀這些書(shū)時(shí)，給我的印象是敘述清楚，歸納明哲。但是，要用它們來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐，解決碰到的實(shí)際問(wèn)題，又覺(jué)得似懂非懂，很難下手。另一方面，有的接地設(shè)計(jì)手冊(cè)又把接地分得很細(xì)，以至要求工程技術(shù)人員區(qū)分出安全地、結(jié)構(gòu)地、防雷地、系統(tǒng)地、電源地、信號(hào)地、噪音地等。為了區(qū)分出這些不同的接地，可能有這樣的情況，某一點(diǎn)既可看作電源地，又可看作信號(hào)地，還可視為安全地、結(jié)構(gòu)地。在這種情況下，應(yīng)該接哪個(gè)地呢？還是這幾個(gè)地都要接？我曾參觀過(guò)一個(gè)電子分系統(tǒng)，它的確實(shí)施了上述的7種接地，當(dāng)我隨即斷開(kāi)分系統(tǒng)的某一種接地，假如信號(hào)地被斷開(kāi)，可該系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。既然如此，這樣所設(shè)置的信號(hào)地是不是就多余的了呢？假如有八個(gè)工程師分別設(shè)計(jì)同

5、一塊印刷電路板或同一臺(tái)設(shè)備的接地，可能會(huì)有6種、7種，甚至8種接地的方案，這是很自然的事。因?yàn)榻拥剡@是一個(gè)說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，做起來(lái)有多種不同選擇，爭(zhēng)論起來(lái)又沒(méi)完沒(méi)了的難題。在某種特定的場(chǎng)合，不管是用單點(diǎn)接地還是多點(diǎn)接地，其實(shí)際效果是相同的。即電路的功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常，又能抑制EMI信號(hào)。但是，在另一種場(chǎng)合，就其達(dá)到的效果而論，可能會(huì)出現(xiàn)單點(diǎn)接地優(yōu)于多點(diǎn)接地，或者反過(guò)來(lái)，可能是多點(diǎn)接地優(yōu)于單點(diǎn)接地。人們自然要問(wèn)，哪一種才是較好的接地呢？很難回答這個(gè)問(wèn)題。在工程中的接地，要根據(jù)系統(tǒng)的要求，周密考慮，具體問(wèn)題具體分析，無(wú)論實(shí)施哪一種接地(包括安全接地和防雷電接地），都要達(dá)到系統(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)正常和有效控制EMI信號(hào)的

6、目的。我們要理論聯(lián)系實(shí)際，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吃一塹，長(zhǎng)一智，就會(huì)有所進(jìn)步。下面是我經(jīng)歷的一次罕見(jiàn)的、由于接地不當(dāng)而產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI，影響系統(tǒng)根本無(wú)法運(yùn)行的實(shí)際例子，通過(guò)調(diào)查研究和分析，最后消除了EMI的影響。這次實(shí)踐加深了我對(duì)接地的認(rèn)識(shí)。關(guān)于這個(gè)由淺入深、由表入里的認(rèn)識(shí)過(guò)程，記述在下面與大家分享。二EMI現(xiàn)象我們的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)在臨街大樓的二樓。因需要，曾從國(guó)外一家公司進(jìn)口了一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)(下稱(chēng)計(jì)算機(jī))，這臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝在二樓實(shí)驗(yàn)室的西側(cè)。為了計(jì)算機(jī)的安全和運(yùn)行可靠，要求對(duì)原實(shí)驗(yàn)室的供電進(jìn)行改造。具體的改造內(nèi)容包括，其一，加裝一臺(tái)380V50Hz隔離變壓器，打算用它達(dá)到控制雷電及瞬變干擾對(duì)計(jì)算機(jī)正常運(yùn)

7、行的影響；其二，供電走線(xiàn)和接地是按照TN-C-S的要求布置。為此，專(zhuān)門(mén)在大樓的北面設(shè)置了接地樁，規(guī)定該接地樁的地電阻必需小于2歐姆。實(shí)際使用證明，該計(jì)算機(jī)運(yùn)行正常，性能穩(wěn)定可靠，幾年運(yùn)行下來(lái)，從未發(fā)生過(guò)電磁干擾的征兆和事故。因工作安排，要在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行某電子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求計(jì)算機(jī)與來(lái)自實(shí)驗(yàn)室供電的電子系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行交聯(lián)，按編制的數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)反應(yīng)，以驗(yàn)證系統(tǒng)軟件和硬件的性能。在計(jì)算機(jī)與電子系統(tǒng)的信號(hào)接口連接之前，不管是計(jì)算機(jī)，還是電子系統(tǒng)都能可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。可是，一旦二者的信號(hào)接口連上，誰(shuí)也沒(méi)有預(yù)料到的奇怪現(xiàn)象發(fā)生了，不是計(jì)算機(jī)死機(jī)，就是電子系統(tǒng)故障，二者之間，就是不能實(shí)現(xiàn)信

8、號(hào)交聯(lián)。一旦斷開(kāi)它們之間的所有信號(hào)交連電路，讓兩者獨(dú)自分開(kāi)運(yùn)行，又一切正常。由于以前從未發(fā)生過(guò)這樣的情況，令所有參加這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的工程技術(shù)人員都為之驚訝。三 調(diào)查研究為了排除這個(gè)奇怪的現(xiàn)象，進(jìn)行了廣泛的討論，最后大家一致認(rèn)為，此事的發(fā)生肯定有電磁干擾在其間作怪。為了找到生成這個(gè)電磁干擾的根源，我們進(jìn)行了認(rèn)真分析和反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，隨著排除故障工作的展開(kāi)，對(duì)這件事的認(rèn)識(shí)，也一步一步地深入。首先，懷疑可能是大樓的電梯作怪。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的地方靠近大樓電梯，這個(gè)電梯是老產(chǎn)品，它是通過(guò)繼電器的接通或斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。我們知道，繼電器的接通或斷開(kāi)要產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間短，幅度高的脈沖干擾信號(hào)。為了驗(yàn)證這個(gè)分析是否符合實(shí)際情況，

9、關(guān)掉電梯后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果還是出現(xiàn)上述不兼容的現(xiàn)象。這種電梯的卻是一個(gè)嚴(yán)重的干擾源，但是實(shí)驗(yàn)證明該電梯不是本系統(tǒng)出現(xiàn)不兼容的干擾源。又因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室靠近車(chē)水馬龍的道路，所以，懷疑汽車(chē)點(diǎn)火器產(chǎn)生的干擾信號(hào)會(huì)影響這個(gè)實(shí)驗(yàn)。我們?cè)诒敬髽堑牧鶚怯脺y(cè)量接收機(jī)檢測(cè)到汽車(chē)點(diǎn)火器產(chǎn)生的干擾信號(hào)，其特征與繼電器的干擾信號(hào)相同。為了避開(kāi)這個(gè)干擾，便改在夜深人靜的時(shí)候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果仍然出現(xiàn)上述現(xiàn)象。在排除這些可能的外部干擾信號(hào)對(duì)電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的影響后，開(kāi)始從系統(tǒng)內(nèi)部找原因。最初，懷疑計(jì)算機(jī)或電子系統(tǒng)的信號(hào)通過(guò)電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)的傳導(dǎo)耦合，導(dǎo)致上述干擾的發(fā)生。為了控制可能的傳導(dǎo)干擾信號(hào)的影響，在各自的供電線(xiàn)路上正確加裝了性

10、能很好的EMI濾波器，在信號(hào)線(xiàn)上也安裝信號(hào)線(xiàn)EMI濾波器，還是未能解除上述不兼容現(xiàn)象。 圖1 計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬的供電和信號(hào)交聯(lián)框圖ABC電梯 梯隔離變壓器器計(jì)算機(jī)供電計(jì)算機(jī)隔離變壓器器仿真供電電子系統(tǒng)NNPPPPP樓北接地樁樓南接地樁.Q四真正的故障原因及解決辦法面對(duì)上述情況，我們轉(zhuǎn)向詳細(xì)地調(diào)查驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)的供電。原來(lái)，在安裝引進(jìn)計(jì)算機(jī)前，二樓實(shí)驗(yàn)室的供電也是通過(guò)一只380V50Hz的三相隔離變壓器，其走線(xiàn)和接地也是按照TN-C-S的要求設(shè)計(jì)和實(shí)施的，為此，專(zhuān)門(mén)在大樓的南面設(shè)置了接地樁。在發(fā)現(xiàn)仿真供電的接地樁后，計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的供電和信號(hào)交聯(lián)的框圖，可由表示

11、為圖1?？v觀圖1，可以總結(jié)出以下特點(diǎn)：A） 在計(jì)算機(jī)與電子系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)際上有二個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)在為此實(shí)驗(yàn)供電，其一為計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)，其二為仿真供電系統(tǒng)；B） 上述二個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)都采用了TN-C-S的接地方法。不同之處在于，計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)的接地樁設(shè)在大樓的北面，仿真供電系統(tǒng)的接地樁設(shè)在大樓的南面，兩個(gè)接地樁的距離約為50米。C） 由于仿真實(shí)驗(yàn)要在計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)之間進(jìn)行信號(hào)交聯(lián)的情況下完成，二者之間必須要有信號(hào)電平的參考地，它是圖1中標(biāo)識(shí)旁P（E）粗線(xiàn)來(lái)表示。嚴(yán)格地說(shuō)，每一個(gè)信號(hào)的傳輸，必須要有回線(xiàn)（也就是地線(xiàn)），這回線(xiàn)終究要與地（PE）相連，因此，可以把信號(hào)的回線(xiàn)看成就是PE。實(shí)

12、際上計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)間有成百對(duì)信號(hào)交聯(lián)接口連線(xiàn)，它們是用PE及其上面的虛點(diǎn)表示在圖1中。D） 信號(hào)交聯(lián)的PE要與計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)的PE連接。最終，PE要同時(shí)與計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)和仿真供電系統(tǒng)的接地樁連接。在圖1中，把PE和兩個(gè)供電系統(tǒng)的接地樁連接起來(lái)，沿著樓北接地樁，計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)的PE與N的連接點(diǎn)，計(jì)算機(jī)的PE，信號(hào)回線(xiàn)的PE，電子系統(tǒng)的PE，仿真供電系統(tǒng)的PE與N的連接點(diǎn)和樓南接地樁連接起來(lái)，因?yàn)闃潜苯拥貥逗蜆悄辖拥貥抖际堑韧娢?，這樣一來(lái)，就形成一個(gè)很大的地回路，即地（線(xiàn)）回路，為了表示清晰，圖1可以簡(jiǎn)化為圖2。計(jì)算機(jī)電子系統(tǒng)圖2 地回路形成的干擾信號(hào)為了估算在圖2回路中可能生成干擾信號(hào)的幅

13、度，在這里引用參考文獻(xiàn)中的、長(zhǎng)載流導(dǎo)線(xiàn)在鄰近回路上生成的感應(yīng)電壓E（這就是EMI電壓，單位V）的表達(dá)式（1），式（1）有關(guān)參數(shù)的說(shuō)明見(jiàn)圖3。E =（3.1910-8）fLI(R2/R1) (1)（1) 式中, E感應(yīng)電壓，V； f頻率，Hz； L與載流導(dǎo)線(xiàn)平行的回路邊長(zhǎng)，英寸；I瞬變電流，A；R1載流導(dǎo)線(xiàn)與鄰近邊長(zhǎng)的距離，英寸；R2載流導(dǎo)線(xiàn)與遠(yuǎn)邊邊長(zhǎng)的距離，英寸；假設(shè)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率 f =100MHz，L=2000英寸（50.8m），I=10A，R1=0.04英寸（1mm），R2=200英寸（5.08m）的時(shí)候，E=5.43V，這已經(jīng)是一個(gè)足以使系統(tǒng)癱瘓的EMI電壓。在這里設(shè)定的參數(shù)是有根據(jù)的

14、。例如，L就是兩個(gè)接地樁之間的距離，約為50m；R1是交聯(lián)信號(hào)線(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體和外屏蔽層間的距離，約為1mm；R2主要考慮接地樁的地面高度，約為5m。引入的這些數(shù)據(jù)與實(shí)際情況是很接近的。至于I，在這里可以理解為瞬變電流。上面的計(jì)算中僅設(shè)定為10A。實(shí)際上，在合上計(jì)算機(jī)（或電子系統(tǒng)）的那一瞬間，I何止10A！估計(jì)實(shí)際瞬變電流的大小為數(shù)安培，是10A的100倍，甚至1000倍或更大。可以預(yù)見(jiàn)，由此生成的EMI電壓（E）的幅度是何等之大！當(dāng)這個(gè)瞬變電壓加到計(jì)算機(jī)（或電子系統(tǒng)）上時(shí)，必定會(huì)引起錯(cuò)碼，這就是計(jì)算機(jī)出現(xiàn)死機(jī)和電子系統(tǒng)故障的真正原因。原因找準(zhǔn)了，排除故障就成為可能。發(fā)生本故障的根源在于，在不知情的條

15、件下，糊里糊涂地用了二個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)供電和仿真供電系統(tǒng)）向電子系統(tǒng)仿真試驗(yàn)供電！由二個(gè)獨(dú)立的供電系統(tǒng)的二個(gè)接地樁圍成了一個(gè)面積近300平方米的地回路，機(jī)器（無(wú)論是計(jì)算機(jī)或是電子系統(tǒng)）啟動(dòng)時(shí)的瞬變電流在如此之大的回路中感應(yīng)出幅度極大的瞬變電壓，這就是發(fā)生系統(tǒng)故障的EMI電壓。只要能破壞掉這個(gè)地回路，這個(gè)惡魔式的電磁干擾現(xiàn)象就能排除。于是，我們?cè)谟?jì)算機(jī)供電系統(tǒng)的樓北接地樁的連接點(diǎn)，即圖1中的Q處松開(kāi)連接螺釘，就完成切斷樓北接地樁與計(jì)算機(jī)供電系統(tǒng)的連接，上述面積近300平方米的地回路就不復(fù)存在！原來(lái)由樓南和樓北兩個(gè)接地樁所形成的地回路，現(xiàn)在變成了僅剩樓南接地樁支撐的單點(diǎn)接地！在完成了這個(gè)既

16、十分簡(jiǎn)單，又非常重要的改動(dòng)后，重新開(kāi)機(jī)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，便一切正常，困擾大家多時(shí)的電磁不兼容就這樣被制伏了。圖3 地回路生成的電磁干擾信號(hào)ELR1R2In導(dǎo)線(xiàn)五結(jié)語(yǔ)上面討論的，由于接地樁設(shè)置不當(dāng)所引起嚴(yán)重EMI的例子是相當(dāng)?shù)湫偷模趾币?jiàn)的。但是，如果在分系統(tǒng)、設(shè)備、以至印刷電路板等的接地和電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)考慮欠佳，也有可能形成上面論及的地回路干擾。當(dāng)然，由于地回路所圍的面積和通過(guò)環(huán)路的磁通量不同，不可能發(fā)生明顯的EMI現(xiàn)象。但是，要改善系統(tǒng)和分系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮接地和電纜纜敷，注意把有關(guān)地回路的面積控制到最小，這樣，才有可能把地回路引起的EMI控制到盡量低的程度，這對(duì)改善EMC的設(shè)計(jì)很有

17、意義。另外，上面排出故障時(shí)述及的，電梯工作時(shí)產(chǎn)生的EMI，汽車(chē)點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的EMI，電源線(xiàn)的傳導(dǎo)干擾耦合等，的的確確都是EMI源，他們運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生EMI信號(hào)。但是，這些EMI信號(hào)的幅度還沒(méi)有達(dá)到該破壞系統(tǒng)運(yùn)行的程度。當(dāng)然，避開(kāi)電梯的運(yùn)行、在沒(méi)有汽車(chē)干擾的條件下進(jìn)行試驗(yàn)和在電源線(xiàn)上加裝EMI濾波器，這些都是控制EMI的措施，之所以沒(méi)有能解除系統(tǒng)的不兼容。這是因?yàn)樵诖藯l件下，起決定作用的是系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行瞬間，在地回路內(nèi)生成有幅度巨大的EMI信號(hào)。只有把地回路破壞掉，使在系統(tǒng)開(kāi)啟瞬間不會(huì)出現(xiàn)幅度巨大的EMI信號(hào)，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。這也說(shuō)明，在控制EMI的諸多因素中，要能找準(zhǔn)起決定作用的因素，并實(shí)施合適的控制措施，才能控制電磁干擾。這時(shí)候，解決棘手的EMI問(wèn)題，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)顯得十分重要。只要我們多實(shí)踐、不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，把EMI控制到允許的電平是可以實(shí)現(xiàn)的。參考文獻(xiàn) 陳窮，柳光福等，電磁兼容性設(shè)計(jì)手冊(cè)，航空文獻(xiàn)編輯部，1988 陳窮，蔣全興，柳光福等，電磁兼容性工程設(shè)計(jì)手冊(cè)，國(guó)防工業(yè)出版社，1993 GJBZ25-91， 電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)指南 IEE