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3.8 地线设计原则

要想避免地线产生的干扰,必须在系统或电路的方案设计初期就进行地线设计。根据以上对地线的本质和地线导致干扰问题机理的分析,可以总结出一些地线设计原则。其中,接地方式可以分为单点接地、多点接地和混合接地等。

3.8.1 单点接地

单点接地是一种最简单的接地方式,所有电路的地线接到公共地线的同一点。单点接地的最大好处是避免了地线环路,没有地线环路干扰的问题。例如,对于图3-8所示的地线环路,只要将一个设备的地线断开,用一根导线连接到另一个设备的机壳上,再通过另一个设备的地线接地,就消除了地线环路问题,如图 3-24 所示。这里的连线既可以采用屏蔽电缆的屏蔽层,也可以通过专门加接一根导线的方法来实现。

图3-24 单点接地消除了地线环路

如果将单点接地结构进一步细化,可分为串联单点接地和并联单点接地,如图 3-25 所示。串联单点接地是传统上大家所习惯的接地方式,这种接地方式就是在电原理图上将所有的接地点都用同一种标记表示,实现起来也十分简单,将所有地线标志连在一起即可,如图 3-25(a)所示。但是前面已经对这种接地方式做了分析,它的最大问题是存在很多潜在的公共阻抗耦合因素,尤其是当功率相差很大的电路采用这种接地方式时,会导致很严重的相互干扰。

图3-25 单点接地方式

图 3-25(b)所示的并联单点接地方式可以避免串联单点接地造成的问题。由于需要太多的接地线,所以这种接地方式在实际工程中很少采用。

串、并联混合单点接地是一种实用的接地方式。这种接地方式是将电路按照特性分组,相互之间不易发生干扰的电路放在同一组,相互之间容易发生干扰的电路放在不同的组。每个组内采用串联单点接地,获得最简单的地线结构,而不同组的接地采用并联单点接地,以避免相互之间的干扰。图3-26所示就是这种接地方式的一个典型案例。

图3-26 串、并联单点混合接地方式

单点接地的设计流程是:在开始电路板的布线或机箱、机柜内的布线之前,应该首先对电路和地线进行分类。先画一张接地图,将能串联起来接地的地线采用同一种符号,再对只能并联接地的地线采用不同的接地符号加以区别。

单点接地有一个问题,那就是接地线往往较长。这样,当频率较高时,地线的阻抗很大,甚至产生谐振,造成地线阻抗不稳定。对于频率较高的信号,地线尽管较短,它们的电阻和电感也是不能忽略的。实际上,当电路的工作频率较高时,各种分布参数已经起着很重要的作用,即使形式上采用单点接地结构,实际上也不能起到单点接地的作用。因此,单点接地不适合频率较高的场合。频率较高时,要采用电路就近接地的方式,缩短地线,也就是多点接地。

3.8.2 多点接地

当电路的工作频率较高时,为了使地线最短,所有电路都要就近连接到公共地线上。由于它们的接地点不同,因此称为多点接地,如图 3-27 所示。图中画出了地线的等效电阻和电感。

显然,多点接地的结构形成了许多地线环路。因此空间的电磁场、地线上的电位差等会对电路形成干扰。为了减小地线环路的影响,要尽量减小地线阻抗。减小地线的阻抗可从两个方面考虑:一方面是减小导体的电阻;另一方面是减小导体的电感。由于高频电流的趋肤效应,增加导体的截面积并不能减小导体的电阻,正确的方法是在导体表面镀锡甚至镀银。用宽金属板可以减小导体的电感。如果地线是由不同部分金属搭接构成的,还要考虑搭接阻抗。

图3-27 多点接地方式

另外,要将电路之间的连线尽量靠近地线,以减小地线环路的面积,这样做的目的是减小空间电磁场在地线环路中形成的干扰。

实践经验证明,通常单点接地可以应用在电路工作频率不大于 1MHz 的场合;而频率在10MHz 以上时,应采用多点接地;而对于工作频率在1~10MHz 之间的电路,如果最长的接地线不超出波长的1/20,可以采用单点接地,否则应采用多点接地。

3.8.3 混合接地

有时,利用电容、电感等器件在不同频率下具有不同阻抗的特性,可构成混合接地系统。这样,可以使系统对于不同频率的信号具有不同的接地结构。

当采用电感接地时,由于电感低频时的阻抗很小,高频时阻抗很大,因此这种地线在低频时相当于是连通的,而高频时是断开的。

当采用电容接地时,由于电容低频时的阻抗很大,高频时阻抗很小,因此这种地线在低频时相当于是断开的,而高频时是连通的。

例如,一个系统在受到地环路电流的干扰时,将设备的安全地断开,切断了地线环路,可以解决地线环路电流干扰,但是为了防止金属机箱带电,机箱必须接到安全地上。图 3-28 所示的接地系统解决了这个问题。对于频率较高的地环路电流,由于感抗很大,地线相当于是断开的;而对于 50Hz 的交流电,电感的感抗很小,机箱都是可靠接地的。采用这种方式时,要注意接地电感的电流容量要大于熔断器或漏电保护器的动作电流,以防止电流过大烧毁地线电感。

再如,当一个系统工作在低频状态时,为了避免地线环路干扰问题,需要系统串联单点接地。为了避免系统暴露在高频强电场中时,电缆受到电场的干扰,可以使用屏蔽电缆,并将屏蔽电缆多点接地(屏蔽电场的屏蔽电缆必须将屏蔽层接地,并且当电场频率较高时,需要多点接地)。图3-29所示的接地结构解决了这个问题。

图3-28 低频多点、高频单点接地系统

图3-29 低频单点、高频多点接地系统

这个接地结构,对于电缆中传输的低频信号,系统是单点接地的;而对于电缆屏蔽层中感应的高频干扰信号,系统是多点接地的。干扰信号的频率决定了接地电容的大小,根据实践经验,容量一般在10nF以下。在使用电容时应注意电容的谐振问题。

在实际工程中,利用电感和电容在不同频率下阻抗不同的特点,实现不同接地结构的例子很多。例如,将电路板的信号地与机箱用小电容连接起来,则线路板与机箱之间对于直流是断开的,而对于高频干扰电流相当于是连通的。 92q7r/2T9JiXny4HSPplJpRHyqS5gv97kLnI31/Y6l1ohl1gtg92XG6AQiqWGl8d

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