【導讀】電子、電氣產品電磁兼容性設計的目的，是使產品在預期的電磁環境中能正常工作、無性能降低或故障，并具有對電磁環境中的任何事物不構成電磁騷擾的能力。接地設計是實現電磁兼容的一個重要方法。往往也是難度最大的一項設計。本文介紹了接地設計的目的，方法，以及接地系統的結構和應該注意的幾個問題。
1 引言
電子、電氣產品電磁兼容性設計的目的，是使產品在預期的電磁環境中能正常工作、無性能降低或故障，并具有對電磁環境中的任何事物不構成電磁騷擾的能力。電磁兼容性設計的基本方法是指標分配和功能分塊設計。也就是說，首先要根據有關標準和規范，把整個產品的電磁兼容性指標要求，細分成產品級的、模塊級的、電路級的、元器件級的指標要求；然后，按照各級要實現的功能要求和電磁兼容性指標要求，逐級進行設計，采取一定的防護措施等。經驗證明，如果在產品開發階段解決兼容性問題所需費用為1，那么，等到定型后再想辦法解決，費用將增加10倍；若到批量生產后再解決，費用將增加100倍；若到用戶發現問題后才解決，費用可能到達1000倍。這就是說如果在產品的開發階段，同時進行電磁兼容性設計，就可以把80%—90%的電磁兼容性問題解決在產品定型之前。那種不顧電磁兼容性，只按常規進行產品設計，然后對樣品進行電磁兼容性技術測試，發現問題再進行補救的做法，非但在技術上會造成很大問題，而且還會造成人力、財力的極大浪費，這是—種非常冒險的做法。
所以，對于任何一種產品，盡早進行電磁兼容性設計都是非常必要的。進行電磁兼容設計時。要有效地抑制電磁騷擾，必須綜合使用接地、屏蔽、濾波等措施。靜電屏蔽的必要條件是屏蔽體接地。為了同時屏蔽磁場和高頻電場，當然，也應將屏蔽體接地。而電磁屏蔽則是用屏蔽體阻止電磁波在空間傳播的一種措施，為了避免因電磁感應引起屏蔽效能下降，屏蔽體也應接地。同時，為了避免地電壓在屏蔽體內造成干擾，還應當單點接地。屏蔽電纜是在絕緣導線外面再包一層金屬薄膜，即屏蔽層。屏蔽層的屏蔽效能主要不是因反射和吸收所得到的，而是由屏蔽層接地所產生的。也就是說，屏蔽電纜的屏蔽層只有在接地以后才能起到屏蔽作用。例如，騷擾源電路的導線對敏感電路的單芯屏蔽線的騷擾，是通過騷擾源導線與單芯屏蔽線屏蔽層間的耦合電容，以及屏蔽層與芯線間的耦合電容實現的。如果把屏蔽層接地，則騷擾被短路至地，不能再耦合到芯線上，屏蔽層起到了屏蔽作用。但電纜用于磁場屏蔽時則要求屏蔽層兩端接地。
對于低頻電路，可單端接地，例如，不接地的信號源通過電纜與公共端接地的放大器相連，則電纜屏蔽層應接在該公共端；當信號源公共端接地，放大器不接地時，屏蔽層應接信號源公共端。對于高頻電路，應雙端接地，而且當電纜長于1/20波長時，應每隔1/10波長距離接一次地。屏蔽層接地的方法是使屏蔽層與連接器屏蔽外殼呈360度良好焊接，避免“辮接”；電纜芯線和連接器插針或插孔焊接；同時，將連線器屏蔽外殼與屏蔽機殼嚴密相連，使屏蔽電纜成為屏蔽機箱的延伸，才能取得良好的屏蔽效果。
由此可見，屏蔽與接地是有密切關系的。我們知道，電磁騷擾入侵屏蔽體的主要途徑是I/O接口和電源線輸入口。實際上，屏蔽體內部的電磁騷擾可以耦合到連接I/O接口的導線或電纜以及電源線上，并產生騷擾電流，傳導到屏蔽體外，造成傳導騷擾和輻射騷擾；同樣，外界電磁騷擾也可以通過連接到I/O接口的導線或電纜以及電源線傳導進入屏蔽體，或通過電磁感應產生騷擾電流進入屏蔽體，同時又對屏蔽體內造成輻射騷擾。為了抑制騷擾電流流入或流出，位屏蔽體保持較高的屏蔽效能，可以在I/O接口和電源線輸入口分別采用濾波器連接器或饋通濾波器。
此外，屏蔽體上安裝的蜂窩狀通風板是由截止波導管組成的高通濾波器，當面板上需要穿過可調器件的非金屬軸桿時，也可以將軸桿穿過截止波導管。用導電玻璃制成的屏蔽視窗，實質上也是高通濾波器。由此可見，為了保證屏蔽效能，屏蔽與濾波是密切相關的。除了特別說明允許不接地的濾波器外，各類濾波器都必須接地。因為濾波器中的共模旁路電容只在接地時才能有作用。特別是л型濾波器，當接地不良時，等于將電容和電感并聯，完全失去了濾波作用。此外，安裝濾波器時，還應借助于屏蔽，將輸入端和輸出端完全隔離，才能發揮濾波器的抑制作用。所以濾波與接地、屏蔽都有密切的關系。產品的電磁兼容性設計從表面上看好象很復雜，不知從何下手。但如果能注意以上幾個問題，正確運用防護措施，任何復雜的電磁兼容性設計難題都是可以迎刃而解的。
地線設計是最重要的設計，往往也是難度最大的一項設計。“地線”可以定義為信號流回源的低阻抗路徑，它可以是專用的回線，也可以是接地平面，有時也可以采用產品的金屬外殼。理想的“地” 應是零電阻的實體，各接地點之間沒有電位差。但在實際產品內，這種“地”是不存在的，任何“地”或“地線”既有電阻又有電擾，當有電流通過時，必然產生壓降，使地線上的電位如同大海中的波浪一樣，此起彼伏，并非處是零電位，兩個不同的接地點之間就存在地電壓。因此，當電路多點接地、并且電路間有信號聯系時，就將構成地環路干擾電壓，并在信號連線中產生共模電流，疊加在有用信號上一起加到負載端，由于電路的不平衡性，每根連線上的電流不同，還會轉換成差模干擾電壓，對電路造成干擾。為了減小地環路干擾，一般可采用切斷地環路的方法。例如，將一則電路板的信號地線與機殼地絕緣，形成浮地。但這樣做僅在低頻時有效，當頻率較高時，電路板與機殼之間的分布電容仍有可能構成地環路。
此外，可以用平衡電路代替不平衡電路，使電路間信號連線上的共模電流相等，而不會轉換成差模干擾電壓。也可以在兩個電路之間插入隔離變壓器、共模扼流圈或光電耦合器等，均可取得一定效果。目前流行的方法是在屏蔽機殼上安裝濾波器連接器，由于它的每根插針或每個插扎上都裝有一個低通濾波器，可以有效地濾除因地環路干擾引起的高頻共模電流。此外，在兩個電路之間的連線或電纜上套以鐵氧體磁環，也可以有效地濾除高頻共模干擾。大型復雜的產品中往往包含多種電子電路以及各種電機、電器等騷擾源，這時地線設計需按以下步驟進行：首先，分析產品內各電路單元的工作電平、信號類型等騷擾特性和抗騷擾能力；其次，將地線分類，例如分為信號地線、騷擾源地線、機殼地線等，信號地線還可分為模擬地線和數字地線等；最后，畫出總體布局圖和地線系統圖。
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2 接地設計的理由和目的
要求接地的理由很多，下面列出幾種：
（1）安全接地：使用交流電的設備必須通過黃綠色安全地線接地，否則當設備內的電源與機殼之間的絕緣電阻變小時，會導致電擊傷害。
（2）雷電接地：設施的雷電保護系統是一個獨立的系統，由避雷針、下導體和與接地系統相連的接頭組成。該接地系統通常與用做電源參考地及黃綠色安全地線的接地是共用的。雷電放電接地僅對設施而言，設備沒有這個要求。
（3）電磁兼容接地：出于電磁兼容設計而要求的接地，包括：
屏蔽接地：為了防止電路之間由于寄生電容產生相互干擾、電路輻射電場或對外界電場敏感，必須進行隔離和屏蔽，這些隔離和屏蔽的金屬必須接地。
濾波器接地：濾波器中一般都包含信號線或電源線到地的旁路電容，當濾波器不接地時，這些電容就處于懸浮狀態，起不到旁路的作用。
噪聲和干擾抑制：對內部噪聲和外部干擾的控制需要設備或系統上的許多點與地相連，從而為干擾信號提供“最低阻抗”通道。
電路參考：電路之間信號要正確傳輸，必須有一個公共電位參考點，這個公共電位參考點就是地。因此所有互相連接的電路必須接地。
以上所有理由形成了接地的綜合要求。但是，一般在設計要求時僅明確安全和雷電防護接地的要求，其它均隱含在用戶對系統或設備的電磁兼容要求中。
接地是電子設備的一個很重要問題。接地目的有三個：
（1）地使整個電路系統中的所有單元電路都有一個公共的參；零電位，保證電路系統能穩定的工作。
（2）防止外界電磁場的干擾。機殼接地可以使得由于靜電感丈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尹 壓可能引起設各內部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的差 蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。
（3）保證安全工作。當發生直接雷電的電磁感應時，可避免子設備的毀壞；當工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原仁 直接與機殼相通時，可避免操作人員的觸電事故發生。此外，很多 醫療設備都與病人的人體直接相連，當機殼帶有110V或220V目壓時，將發生致一命危險。因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解籠一個等電位點或等電位面，是電路或系統的基準電位，但不一定是大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身安全 電子設備的機殼和機房的金屬構件等，必須與大地相連接，而且摻 地電阻一般要很小，不能超過規定值。
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3 接地的幾種方法
接地的方法很多，具體使用那一種方法取決于系統的結構和功能。“接地”的概念首次應用在電話的設計開發中。從1881年初開始采用單根電纜為信號通道，大地為公共回路。這就是第一個接地問題。但是用大地作為信號回路會導致地回路中的過量噪聲和大氣干擾。為了解決這個問題，增加了信號回路線。現在存在的許多接地方法都是來源于過去成功的經驗，電路的接地方式基本上有四類，即懸浮地、單點接地、多點接 地和混合接地。
3.1 單點接地
如圖1所示，單點接地是為許多在一起的電路提供公共電位參考點的方法，這樣信號就可以在不同的電路之間傳輸。若沒有公共參考點，就會出現錯誤信號傳輸。單點接地要求每個電路只接地一次，并且接在同一點。該點常常以地球為參考。只有一個參考點，因此可以相信沒有地回路存在，因而也就沒有干擾問題。但地線太長，地線會成為天線向外輻射干擾，頻率升高也會加大導線間的干擾，因此只適用于低頻電路，地線的長度不應該超過地線中高頻電流波長的1/20。
圖1 單點和星形接地
3.2 多點接地
如圖2所示，從圖中可以看出，設備內電路都以機殼為參考點，而各個設備的機殼又都以地為參考點。這種接地結構能夠提供較低的接地阻抗，這是因為多點接地時，每條地線可以很短并且多根導線并聯能夠降低接地導體的總電感。在數字電路和高頻大信號電路中必須使用多點接地。并且要求每根接地線的長度小于信號波長的1/20。
圖2 多點接地
3.3 混合接地
混合接地包含了單點接地和多點接地的特性。對于直流，電容是開路的，電路是單點接地，對于射頻，電容是導通的，電路是多點接地。電子設備的混合接地，通常把地線分為兩大類：電源地和信號地。設備中各部分的電源地線都接到電源總地線上，所有信號地都接到信號總地線上。兩根總地線最后匯總到公共的參考地接地。例如，系統內的電源需要單點接地，而射頻信號又要求多點接地，這時就可以采用圖3所示的混合接地。
圖3 混合接地
3.4 懸浮地
懸浮地是指設備的地線在電氣上與參考地及其他導體相絕緣。有時為了防止機箱上的騷擾電流直接耦合到信號電路，也有意使信號地與機箱絕緣。這比較容易產生靜電積累和靜電放電，因此不宜用于通信系統和一般電子產品
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4 系統接地的結構組成
這里將以智能建筑的綜合布線系統為例子來介紹系統接地的結構。根據接地和接線要求的規定：系統接地的結構包括接地線，接地母線（層接地端子）、接地干線、主接地母線（總接地端子）、接地引入線、接地體六部分。在進行系統接地的設計時，可按上述6個要素分層次地進行設計。
4.1 接地線
接地線是指布線系統各種設備與接地母線之間的連線。所有接地線均為銅質絕緣導線，其截面應不小于4平方毫米。當布線系統采用屏蔽電纜布線時，信息插座的接地可利用電纜屏蔽層作為接地線連至每層的配線柜。若電纜采用穿鋼管或金屬線糟敷設時，鋼管或金屬線糟應保持連續的電氣連接，并應在兩端具有良好的接地。
4.2 接地母線 （層接地端子）
接地母線是水平布線于系統接地線的公用中心連接點。每一樓層配線柜與本樓層接地母線相焊接，還必須與接地母線同一配線間的所有綜合布線用的金屬架及接地干線均應與該接地母線相焊接。接地母線均應為銅母線，其最的小尺寸應為6mm厚×50mm寬，接線長度視工程實際需要來確定。接地母線應盡量采用電鍍錫以減小接觸電阻，如不是電鍍，則在將導線固定到母線之前，須對母線進行清理。
4.3 接地干線
接地干線是由總接地母線引出，連接所有接地母線的接地導線。在進行接地干線的設計時，應充分考慮建筑物的結構形式，建筑物的大小以及綜合布線的路由與空間配置，并與綜合布線電纜干線的敷設相協調。接地干線應安裝在不受物理和機械損傷的保護處，建筑物內的水管及金屬電纜屏蔽層不能作為接地干線使用。當建筑物中使用兩個或多個垂直接地干線時，垂直接地干線之間每隔三層及頂層需用與接地干線等截面的絕緣導線相焊接。接地干線應為絕緣銅芯導線，最小截面應不小于16平方毫米。當在接地干線上，其接地電位差大于1Vrm@S(有效值)時，樓層配線間應單獨用接地干線接至主接地母線。
4.4 主接地母線 （總接地端子）
一般情況下，每棟建筑物有一個主接地母線。主接地母線作為綜合布線接地系統中接地干線及設備接地線的轉接點，其理想位置宜設于外線引入間或建筑配線間。主接地母線應布置在直線路徑上，同時考慮從保護器到主接地母線的焊接導線不宣過長。接地引入線、接地干線、直流配電屏接地線、外線引入間的所有接地線，以及與主接地母線同一配線間的所有綜合布線用的金屬架均應與主接地母線良好焊接。當外線引入電纜配有屏蔽或穿金屬保護管時，此屏蔽和金屬管也應焊接至主接地母線。主接地母線應采用銅母線，其最小截面尺寸為6mm厚X100mm寬，長度可視工程實際需要而定。和接地母線相同，主接地母線也應盡量采用電鍍錫以減小接觸電阻。如不是電鍍，則主接地母線在固定到導線前必須進行清理。
4.5 接地引入線
接地引入線指主接地母線與接地體之間的連接線，宜采用40mm寬×4mm厚或50mm×5mm的鍍鋅扁鋼。接地引入線應作絕緣防腐處理，在其出土部位 應有防機械損傷措施，且不宜與暖氣管道同溝布放。
4.6 接地體
接地體分自然接地體和人工接地體兩種。當綜合布線采用單獨接地系統時，接地體一般采用人工接地體，并應滿足以下條件： 距離工頻低壓交流供電系統的接地體不宣小于10m；距離建筑物防雷系統的接地體不應小于2mm； 接地電阻不應大于40Ω。當綜合布線采用聯合接地系統時，接地體一般利用建筑物基礎內鋼筋網作為自然接地體，其接地電阻應小于1Ω。在實際應用中通常采用聯合接地系統，這是因為與前者相比，聯合接地方式具有以下幾個顯著的優點：當建筑物遭受雷擊時，樓層內各點電位分布比較均勻，工作人員及設備的安全能得到較好的保障。同時，大樓的框架結構對中波電磁場能提供10～40dB的屏蔽效果；容易獲得較小的接地電阻； 可以節約金屬材料，占地少。
5 進行系統的接地設計應注意的幾個問題
仍以智能建筑的綜合布線系統為例子來介紹接地設計應注意的問題。 綜合布線系統采用屏蔽措施時，所有屏蔽層應保持連續性，并應注意保證導線間相對位置不變。屏蔽層的配線設備（FD或BD）端應接地，用戶（終端設備）端視具體情況宜接地，兩端的接地應盡量連接至同一接地體。當接地系統中存在兩個不同的接地體時，其接地電位差應不大于1Vr.m.s（有效值）。
當電纜從建筑物外面進入建筑物內部容易受到雷擊、電源碰地、電源感應電勢或地電勢上浮等外界因素的影響時，必須采用保護。如：雷擊引起的危險影響；工作電壓超過250V的電源線路碰地；地電勢上升到250V以上而引起的電源故障；交流50HZ感應電壓超過250V。
綜合布線系統的過壓保護宜選用氣體放電管保護器。因為氣體放電管保護器的陶瓷外殼內密封有兩個電極，其間有放電間隙，并充有隋性氣體。當兩個電極之間的電位差超過250V交流電源或700V雷電壓時，氣體放電管開始出現電弧，為導體和地電極之間提供了一條導電通路。
綜合布線系統的過流保護宜選用能夠自復的保護器。由于電纜上可能出現這樣或那樣的電壓，如果連接設備為其提供了對地的低阻通路，則不足以使過壓保護器動作，而其產生的電流卻可能損壞設備或引起著火。例如：220V電力 線可能不足以使過壓保護器放電，但有可能產生大電流進入設備內部造成破壞，因此在采用過壓保護的同時必須采用過流保護。要求采用能自復的過流保護器，主要是為了方便維護。
總之，隨著科學技術的不斷發展，人們必將對其電磁兼容提出更為嚴格的要求。對于廣大工程技術人員而言，提高接地系統的穩定性和可靠性以改善系統的電磁兼容性能將是一項長期而艱巨的任務。
參考文獻：
【1】工業與民用電力裝置的接地設計規范（試行）（GBJ64-83）。
【2】電力設備接地設計技術規程（DJ8-79）。
