電力電子技術中的接地設計課件

電力電子技術中的接地設計2023/12/5電力電子技術中的接地設計電磁兼容設計

---接地設計九洲電氣

劉志強電力電子技術中的接地設計2一概述接地技術是電子通訊設備必須采用的重要技術，眾所周知，電磁兼容設計三大措施為：接地、屏敞和濾波。通過現(xiàn)場和試驗統(tǒng)計調(diào)查，有80%以上的故障源于接地設計不良，正確的接地不僅是保護設備和人身安全的必要手段，也是電子設備穩(wěn)定可靠工作的重要條件。如果接地設計不好，輕則導致設備運行不穩(wěn)定，如程控數(shù)字交換機的呼損增大、光電傳輸設備的誤碼率增加、故障率上升，重則導致設備無法正常工作、甚至發(fā)生重大事故、使設備毀壞，這方面的例子很多，造成的損失無法估量。電力電子技術中的接地設計3

一〕接地設計的基本原理：好的接地系統(tǒng)是抑制電磁干擾的一種技術措施，其電路和設備地線任意兩點之間的電壓與線路中的任何功能部分相比較，都可以忽略不計；差的接地系統(tǒng)，可以通過地線產(chǎn)生寄生電壓和電流偶合進電路，地線或接地平面總有一定的阻抗，該公共阻抗使兩兩接地點間形成一定的壓降，引起接地干擾，使系統(tǒng)的功能受到影響。從而影響產(chǎn)品的可靠性。電力電子技術中的接地設計4二〕接地的目的接地的目的主要有三個：1)

接地使整個電路系統(tǒng)中所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。2)

防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。3)

保證安全作。當發(fā)生直接雷電的電磁感應時，可避免電子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。電力電子技術中的接地設計5三〕電子設備“地”的主要種類：

1）大地——地球，良導體，有效地吸收和發(fā)散電流。2）系統(tǒng)地——信號回路的電位基準點，簡稱系統(tǒng)地、工作地或電源地。3)模擬地——連接模擬元器件接地引出端形成的地線。4)數(shù)字地——連接數(shù)字元器件接地引出端形成的地線。5)保護地——連接保護元器件接地引出端形成的地線。6)屏蔽地——連接屏蔽體接地端形成的地線。7）機殼地――連接設備的機殼。8）防雷地――為防直擊雷而在建筑物上安裝的連接各種接閃器（避雷器）至接地網(wǎng)的地線。9)安全地――為保證人身和設備的安全而接的地線。

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四〕接地設計的基本原則：接地設計的基本原則是電位相同、內(nèi)部電路不互相干擾、抵御外來干擾。各種地電位相同使不同性質(zhì)的電路有一個統(tǒng)一的基準電位，保證電路功能的順利實現(xiàn)。電位相同要求不同的地就近相連。內(nèi)部電路不互相干擾要求不同的地在較遠處相連。所以，電位相同和不互相干擾是一對矛盾的雙方，在何處相連應考慮哪一方占主導地位。當設備受到的外來干擾（例如：ESD干擾，EFT干擾，輻射干擾）較大時，提高設備對外來干擾的抵御能力上升為主要矛盾，這時，各種地應合并為大面積接地。電力電子技術中的接地設計7五〕接地的方式：1浮動地2單點接地1〕并聯(lián)單點接地2〕串聯(lián)單點接地3多點接地4復合接地電力電子技術中的接地設計8

浮動地對于電子產(chǎn)品而言，浮動地是指設備的地線在電氣上與參考地及其它導體相絕緣，即設備浮動地，如圖1所示；另一種情況是在有些電子產(chǎn)品中，為了防止機箱上的騷擾電流直接耦合到信號電路，有意將信號地與機箱絕緣，即單元電路浮動地

單點接地接地點只有一個的連接方式。在頻率低于1MHz時，較適于單點接地，主要可以克服地環(huán)路因素造成系統(tǒng)的相互干擾。按照接地點的不同，單點接地可以分為并聯(lián)單點接地和串聯(lián)單點接地兩種形式。

并聯(lián)單點接地接地點只有一個，是將需要接地的各部分，分別以接地導線直接連到電位基準點（一般是直流電源的負極或零伏點）；或者用樹枝狀的電力電子技術中的接地設計9多點放射式。如圖2所示。因為這樣僅有很少的公共信號返回導體，能有效地避免公共阻抗和接地閉合回路造成的干擾。缺點是接地線又長又多，經(jīng)濟性差，而且限制了裝置的工作速度或頻率。并聯(lián)單點接地主要應用于機框內(nèi)各種匯流條的匯接。

串聯(lián)單點接地接地點只有一個，是以一截面積足夠大的導體作為接地母線，直接接到電位基準點。如圖3所示。需要接地的各部分就近接到該母線上，由于接地母線阻抗很小，故能夠把公共干擾減弱到允許的程度。布局時，應把功率回路的接地點安排在靠近電源的地方，而把小電流回路的接地點安排在遠離電源的地方。串聯(lián)單點接地主要應用于機框內(nèi)各單板參考地到匯流條的連接電力電子技術中的接地設計10

多點接地接地點多于一個的連接方式。如圖4所示。在高頻(f>10MHz)情況下，由于接地線的長度過長，引線電感和分布電容的影響不能忽略，為降低接地阻抗、消除分布電容的影響而平面式多點接地，即利用一導電平面（如底板或多層印制電路板的導電平面層等）作為基準地，需要接地的各部分就近接到該基準地上。由于導電平面的高頻阻抗很低，所以各處的基準電位比較接近。為進一步減少接地回路的壓降，可用旁路電容等辦法減少返回電流的幅值及前沿陡度。多點接地方式主要應用于高頻信號到參考平面的連接。電力電子技術中的接地設計11

復合接地單點接地和多點接地同時作用的連接方式。如圖5所示。既包含了單點接地地特性，也包含了多點接地地特性。主要應用于1MHz<f<10MHz，低頻時單點接地，高頻時多點接地的場合和復雜系統(tǒng)的接地。電力電子技術中的接地設計12圖1浮動地方式電力電子技術中的接地設計13圖2并聯(lián)單點接地

電力電子技術中的接地設計14圖3串聯(lián)單點接地電力電子技術中的接地設計15圖4多點接地電力電子技術中的接地設計16圖5復合接地電力電子技術中的接地設計17一〕設備〔系統(tǒng)〕接地的原則電磁噪聲或電磁干擾引起的故障，絕大多數(shù)（約占57％）出自機殼地、工作地線路的電位波動。降低機殼地、工作地線路阻抗，對于抗脈沖噪聲和靜電放電都有利。接地是為了在電路和某些基準點之間建立良好的電氣通路，為所有的信號提供一個公共的參考電平，以及防止因設備帶電對人員造成電擊危害。二設備接地設計電力電子技術中的接地設計181)

接地的好壞取決于搭接的好壞。兩接地點間的電位差或由于磁通交連使基準電位變化。2)

所有的接地都必須避免公共阻抗傳導耦合、高阻抗的地回路和危險的工作條件（由于接地故障可能造成危險）。3)

接地線應盡可能粗、短，并直接搭接到接地板。目的盡量減少地回路的阻抗，避免因頻率增高造成感抗增大。

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4)

在低頻設備中避免形成地回路尤其重要。因為地回路中有信號電流時，接地線路阻抗使基準電位變化。

5)f<1MHz，可采用一點接地方式，并按信號地線（低電平電路）、噪聲地線（繼電器、高功率電路等）、設備地線（機箱、機殼、機架）分組。6)

f>10MHz，應用多點接地方式。7)

1MHz<f<10MHz，若用一點接地，地線長度不得大于1/20波長，否則應使用多點接地。電力電子技術中的接地設計20

8)對于復雜的電子設備，復合型接地方案比較適用。采用復合式接地方案時，機架上必須設定明確的匯接點，匯接點必須是半徑至少為10mm的潔凈金屬面。9)機架的地線噪聲是很大的，不能靠滑軌、鉸鏈等部件去接地。裝于機架上的電子電路應有分開的地線。10)在機殼或機架上應有接地螺栓和明顯的接地標志，接地螺栓的參考尺寸為M8。電力電子技術中的接地設計21二〕機架式系統(tǒng)接地設計1)模擬地、數(shù)字地、電源地和保護地通過匯流條在機架匯接點單點匯接。2)模擬地和數(shù)字地根據(jù)產(chǎn)品具體情況可以采取兩種匯接方式(一個公共匯流條，在匯流條上單點匯接或兩個公共匯流條，在機架匯接點單點匯接)。3)根據(jù)產(chǎn)品特殊情況，對特殊單元電路的地，使用匯流條匯接于機架匯接點。例如大的干擾源或特別敏感系統(tǒng)的分離地。4）機架接地點和匯接點距離盡可能近，接地點再以最短的扁平電纜接到大地（接地平面）。

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模擬工作地數(shù)字工作地電源地保護地保護地匯流條電源地匯流條工作地匯流條機架接地點匯接點機架式系統(tǒng)接地樹示意圖

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三〕機架式系統(tǒng)接地設計多層機框的接地：一個設備的多層機框，各機框的部件的工作地和保護地應分別引線接到相應的匯流條上而不能靠導軌條、絞鏈、螺絲等部件去接地。設備接大地：⑴工作地、保護地、-48V地連接到機殼接地螺栓，再由機殼接地螺栓用接地線引至接地樁或接地匯集線上，見下圖。如果-48V電源與

5V或

12V電源有共地的要求（如用戶板），-48V地與工作地在后背板上（靠近-48V電源輸入插座位置）再相連。如果機房接地匯集線和-48V供電線在地面走線，則接地螺栓應設置在機架下方?；蛘邫C架上下方均設置接地螺栓，以方便靈活接線。電力電子技術中的接地設計24

－48V后背板1后背板2后背板3后背板4后背板5工作地匯流條保護地匯流條－48V地匯流條－48V匯流條－48V地機房接地匯集線圖立式大機架設備的接地設計接地螺栓電力電子技術中的接地設計25

⑵對于有多個機架的設備，各個機架的工作地、保護地和機殼接地分別用接地線引到接地樁或接地匯集線上。⑶對于三線五線制交流供電的設備，機殼要接交流保護地線。⑷對于無法接大地的載體，如飛機、輪船、汽車，可把其機身的金屬殼體當成大地，設備的工作地、保護地和機殼接地直接接到其金屬殼體上。

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⑸接地線材料為多股銅線，截面積≥35mm，兩端應焊接銅鼻子。⑹設備機殼接地螺栓應足夠大（M8），位置要靠近接地匯集線，接地螺栓處應有明顯的接地標志。⑺工作地、保護地、-48V地和設備機殼接地以及建筑防雷接地共用一組接地體，稱為聯(lián)合接地，以避免雷擊時出現(xiàn)的地電位反擊效應。

電力電子技術中的接地設計27四〕臺式設備的接地設計1〕塑料外殼，220VAC三芯插頭供電典型的設備電腦顯示器、小型示波器等。220VAC電源通過開關電源，或變壓器整流穩(wěn)壓電源，變換成為直流電源給設備電路供電，三芯插頭的接地端接開關電源的地或屏蔽殼，變壓器的屏蔽殼，內(nèi)部電路接地處于懸浮狀態(tài)或者一點接三芯插頭的接地端，塑料外殼的內(nèi)層如果鍍涂導電屏蔽層，也要接內(nèi)部電路地。與其他設備互聯(lián)時，電路工作地作為接口接地，其輸出接口芯線通常串接1KΩ電阻防止對地短路，輸入接口通常帶有隔直電容

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2〕塑料外殼，220VAC三芯插頭外接鎮(zhèn)流器供電，設備低壓直流供電典型的設備小型化視訊終端等。220VAC電源通過開關電源，或變壓器整流穩(wěn)壓電源，變換成為直流電源通過直流電源線給設備電路供電，電路接地處于懸浮狀態(tài)或者一點接三芯插頭的接地端，塑料外殼的內(nèi)層如果鍍涂導電屏蔽層，也要接內(nèi)部電路地。與其他設備互聯(lián)時，電路工作地作為接口接地，輸出接口芯線通常串接1KΩ電阻防止對地短路或使用變壓器隔離輸出，輸入接口通常帶有隔直電容或變壓器。

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三PCB板的接地設計

一〕PCB板的接地設計的幾點說明1〕應建立分布參數(shù)的概念。高于一定頻率時，任何金屬導線都要看成是由電阻、電感構成的器件。因此，接地引線具有一定的阻抗并且構成電氣回路，不管是單點接地還是多點接地，都必須構成低阻抗回路進入地或機架。2〕接地電流流經(jīng)接地線時，會產(chǎn)生傳輸線效應和天線效應。3〕接地板上充滿高頻電流和干擾場形成的渦流。因而，在接地點之間構成許多回路，這些回路的直徑（或接地點間距）應小于最高頻率波長的1/20。

電力電子技術中的接地設計30二〕PCB板的接地設計的原則1〕在低頻電路中，信號的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用單點接地。當信號工作頻率大于10MHz時，地線阻抗變得很大，此時應盡量降低地線阻抗，應采用就近多點接地。當工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點接地，其地線長度不應超過波長的1/20，否則應采用多點接地法。

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2〕工作地和保護地分開。由于浪涌、靜電及其他過電流的影響，會造成工作地電位的漂移，影響系統(tǒng)正常工作，甚至造成系統(tǒng)癱瘓。因此保護地和工作地在單板上必須分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用并聯(lián)單點接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地，地線應短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。電力電子技術中的接地設計32

3〕接地線應盡量加粗。若接地線用細線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應將接地線加粗。如有可能，接地線應在2～3mm以上。4〕接地線不應構成閉環(huán)路。5〕CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。6〕電源是主要的干擾源，為避免電源的雜波對工作地的干擾，電源地和工作地在單板上需要分開。

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由于射頻電路工作頻率高，容易引起無用信號的耦合，要求接地引線短、分布參數(shù)小、地電位穩(wěn)定，應把電路的地線與組件的金屬外殼緊密相連，即外殼作為工作地使用。

三〕射頻組件印制版的接地設計

電力電子技術中的接地設計34四〕與后背板相連的插座上地線插針的設計1〕地線插針應足夠多且應縱向安排，接地線與地線插針連線要足夠粗，以免形成接地瓶頸。2〕對于高頻信號尤其是高頻時鐘信號，四周應用地線插針包圍。

電力電子技術中的接地設計35五〕信號電纜線屏蔽層的接地

1〕信號電纜線屏蔽層的接地可分為單點接地和多點接地。2〕以傳輸信號的λ/4為界，線長小于λ/4的情況下，一般用單點接地；當電纜線長度大于λ/4時，應采用多點接地（因為與其它導線一樣，電纜線的屏蔽層也能起到天線的作用）。在采用多點接地時，如果做不到每隔0.05λ至0.1λ有一個接地點的話，至少也應將電纜線的始端與終端的屏蔽層都接地。對電纜線的多點接地來說，一個附加好處是可減少屏蔽層的靜電耦合。

電力電子技術中的接地設計363〕若使用屏蔽之絞股電纜，則于穿過接頭與裝備連接時，接頭中應備有單獨的插針供屏蔽用。在高能量的靜電場合里，電纜常使用雙層或三層屏蔽，通常內(nèi)層屏蔽于電源端接地，而外層屏蔽則于負載端接地。4〕原則上應在接地的信號源或接收器一側接地；控制裝置之間的信號應在線路對地電容大的一端接地，這樣能減少信號電纜對地分布電容的影響。在實際應用中，信號電纜屏蔽層大多在信號電纜數(shù)量最多的控制裝置一側接地，例如數(shù)控裝置的中央柜、計算機柜或輸入輸出柜等。5〕測溫電纜屏蔽層應該在被測裝置一側接地。采用雙重靜電屏蔽的電纜，通常均把其外屏蔽層接到系統(tǒng)地線。

電力電子技術中的接地設計37六〕PCB的布層設計

1）PCB板布層原則：

1〕電源層最好緊鄰接地層且在接地層的下面。2〕電源是通訊系統(tǒng)中最重要的干擾源之一，電源層和地線層的阻抗越低，則相互耦合越大，有利于地線層對電源層干擾信號的吸收。接地層的面積大于電源層的面積，可以充分發(fā)揮接地層的屏蔽作用，減小電源層對信號層的干擾。接地層的面積最大且比電源層的面積至少大20H，H為PCB板的板層厚度。信號層面積根據(jù)信號層器件密度酌情縮進，縮進寬度越大越好。

3〕高頻電路、邏輯電路、時鐘電路等重要信號線最好布于PCB板內(nèi)部緊靠參考地平面，其他信號線次之。

電力電子技術中的接地設計382）示例：四層板的疊層設計四層板根據(jù)信號的安排情況有以下兩種方式：1）以TOP層作為主信號層，見下圖（a），完整的地平面緊鄰主信號層。2）以BOTTOM層作為主信號層，見下圖（b），完整的地平面緊鄰主信號層。設備對其進行測試和檢查。

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〔a〕

（b）

電力電子技術中的接地設計40八層板的疊層設計若PCB的器件和走線密度很高時，可以采用有五個信號層的八層板，如下圖（a）。注意將IS2層沒有布線而且IS3層的相應位置也沒有布線的空間敷實心的地銅皮。以保證不影響IS3層信號的阻抗，而且不使壓板出現(xiàn)翹曲。若PCB的器件速度高則可以采用下圖（b）的結構，電源層緊鄰地層可以降低電源噪聲，完全的層對稱，阻抗控制簡單。

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〔a〕

（b）

電力電子技術中的接地設計423）20H原則20H原則是指將電源平面比地平面的邊界尺寸縮進20倍H（H為電源平面與地平面的距離）時，可以有效地減小兩個平面間對外的輻射。當尺寸小10H時，輻射強度開始下降，當尺寸小20H時，輻射強度下降70％，當尺寸小100H時，輻射強度下降98％，見圖10。電力電子技術中的接地設計43

圖1020H原則原理

電力電子技術中的接地設計44在實施20H原則時，應該優(yōu)先滿足信號的回路最小，信號阻抗連續(xù)。即，縮進電源平面時，若相鄰的信號層在電源平面邊緣有走線，可以在此范圍內(nèi)不考慮20H原則，確保信號不跨越，而且電源平面的邊緣應該延伸出信號線位置。電力電子技術中的接地設計454）3W原則

3W原則是指兩根印制線的中心距大于等于3倍印制線的寬度時，即線間距是2倍線的寬度，可以有效地減少信號之間的耦合，使信號有較“干凈”的回流路徑。一般對高速時鐘線、控制線使用3W原則。高速總線不強求使用3W原則。

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四元器件的接地設計

一〕機殼上的元器件的接地設計當金屬外殼接插件穿過機殼接出,機殼開孔必須小于接插件的金屬外殼，如圖12所示。接插件金屬外殼與機殼之間可接專用金屬簧片確保良好搭接。

電力電子技術中的接地設計47圖12接插件的金屬外殼與機殼良好搭接機殼機殼上的開孔接插件金屬外殼電力電子技術中的接地設計48二〕功能單板上元器件的接地設計：⑴在雙層板上，當一個IC芯片（如模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）既有模擬地又有數(shù)字地時，元器件的數(shù)字地引腳直接接至模擬地引腳，再接至印制版的模擬地母線上。

⑵在雙層板上，一個大規(guī)模IC芯片的多個接地引腳應盡量直接相連后再單點接到印制板的相應地線上。⑶屏蔽裝置（變壓器靜電屏蔽層、屏蔽板和屏蔽盒）應接到靜電防護與屏蔽地或工作地。電力電子技術中的接地設計49⑷復位按鈕、撥碼開關、接插件的金屬外殼和用于ESD防護的器件的接地端應接到靜電防護與屏蔽地或工作地。⑸CMOS電路不用的輸入端不能懸空，應直接接數(shù)字地（也可通過電阻接電源）。⑹用于雷擊浪涌過壓保護器件的接地端必須接到保護地。⑺箝位二極管的接地端應接到靜電防護與屏蔽地或工作地。

電力電子技術中的接地設計50三〕后背板上元器件的接地設計1〕如果有金屬外殼接插件，應布局在靠近邊角的位置，其金屬外殼通過兩端的固定螺絲與后背板的靜電防護與屏蔽地相連。2〕如果信號線從后背板引入且該信號線必須接ESD防護器件，則ESD防護器件宜安排在后背板上而不安排在功能單板上，這時，ESD防護器件的接地端應與后背板的靜電防護與屏蔽地相接。

電力電子技術中的接地設計51四〕金屬部件和接插件的接地設計

1〕對于必須用金屬但與內(nèi)部電路無聯(lián)系的部件如固定單板的金屬鎖簧和起拔拉手，外表應涂復絕緣層，以增加絕緣強度，嚴禁接工作地，必須與內(nèi)部電路隔離8mm以上。

2〕具有金屬殼體而人手又經(jīng)常接觸的部件如接插件、散熱器等部件，其金屬殼體應與接地的機殼或底板緊密相連。內(nèi)部電路在靠近這些部件的部位，應采用大面積接地，另外，內(nèi)部電路（包括地）應離開接插件金屬殼體5mm以上。

電力電子技術中的接地設計52五〕接地泄放

對于接插件，由于其金屬外殼距離信號芯線僅2.2mm，金屬外殼上的靜電干擾可通過信號芯線進入內(nèi)部電路（試驗表明，6000V靜電能擊穿4mm的空氣隙），所以，要抑制進入電路的干擾信號，主要是接地泄放。通常具有金屬殼體而人手經(jīng)常接觸的部件如鑰匙鎖、接插件、散熱器等部件，其金屬殼體應與接地的設備外殼或底板緊密相連，用以泄放人體的靜電荷；內(nèi)部電路在靠近這些部件的部位，應采用大平面接地，如無法采用大平面接地，則接地母線應盡可能粗，對于外殼為工作地的設備，接地端應就近接外殼以便靜電荷盡快泄放到靜電容量較大的外殼上；另外，內(nèi)部電路應離開這些金屬殼體5mm以上。

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重點審查項目

1數(shù)字工作地與模擬工作地是否連到工作地匯流條上，并通過匯流條在機架匯接點單點匯接？12電源地是否連到電源地匯流條上？3保護地是否連到保護地匯流條上？4工作地、電源地、保護地是否在機架上匯接，然后從機架引連接線到機房提供的接地總匯流排上？5交流供電的設備，機殼是否接交流保護地線？6匯流條到機架地匯接點、機架到外部接地匯流排的接地線是否采用多芯銅線？

電