电磁兼容接地分析与设计_袁胜军.pdf

电磁兼容接地分析与设计袁胜军，阳川，李博识，贺伟，廖啟龙（重庆赛宝工业技术研究院有限公司，重庆401332）摘要：电磁兼容性（EMC）是电子产品的重要指标，是其可靠运行的重要保证。“地”的设计对产品EMC的影响很大，是EMC的难点。传统意义上“接地”仅从直流性能的观点出发考虑，认为接地阻抗是其直流或低频电阻，忽略了EMC关注的频率范围内接地导体的寄生电感与集肤效应是导致EMC问题的关键。良好的接地设计可避免干扰电流流过产品内部的等效天线，通过接地方式引导电流流向，能够更好地防护电磁干扰，抑制电磁发射，并且无需任何额外的单位成本。通过分析不良接地方式的等效天线模型，给出电磁兼容接地设计思路及分析方法。关键词：电磁兼容性；电子设备；接地技术中图分类号：TN 03文献标志码：A文章编号：1672-5468（2022）01-0072-04doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2022.01.015EMC Grounding Analysis and DesignYUAN Shengjun，YANG Chuan，LI Boshi，HE Wei，LIAO Qilong（Chongqing CEPREI Industrial Technology Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 401332，China）Abstract：Electromagnetic compatibility（EMC）is an important index of electronic productsand an important guarantee of their reliable operation.The design of“ground”has great influenceon the EMC of products，which is the difficulty of EMC design.In the traditional sense，“grounding”is only considered from the point of view of DC performance，and the groundingimpedance is considered as the DC or low-frequency resistance，which ignores that the parasiticinductance and skill effect of the grounding conductor in the frequency range of electromagneticcompatibility.Good grounding design can prevent interference current from flowing through theequivalent antenna inside the product.By guiding the current flow through the grounding method，electromagnetic interference can be better protected，electromagnetic emission can be suppressedand no additional unit cost is required.By analyzing the equivalent antenna model of the badgrounding method，the design ideas and analysis methods of electromagnetic compatibilitygrounding are given.Keywords：EMC；electronic equipment；grounding technology收稿日期：2021-05-20修回日期：2021-06-22作者简介：袁胜军（1984），男，四川南充人，重庆赛宝工业技术研究院有限公司工程中心主任，工程师，从事可靠性工程技术研究工作。通信作者：阳川（1972），男，四川广安人，重庆赛宝工业技术研究院有限公司总经理，高级工程师，硕士，从事可靠性工程技术研究工作。电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING安全与电磁兼容2022年2月第40卷 第1期Vol40 No1 Feb.，2022DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN72DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN第1期0引言EMC设计的复杂性主要体现在干扰源抑制、切断耦合路径和增强敏感对象的抗干扰能力3个方面1。好的接地设计对于以上3个方面均起到良好的效果，如振荡器下局域化地平面设计可以为来自振荡器的杂散电容（电场）提供终止平面，从而降低振荡器作为骚扰源向外发射RF能量，完整的平面设计能够降低电流回路面积和公共地阻抗耦合，从而降低电磁发射、提高敏感电路的抗干扰能力。本文从PCB地平面设计、底盘接地、电缆屏蔽层搭接和滤波器搭接设计4个方面分析不良搭接方式的等效天线模型，对电磁兼容接地设计进行探讨。1电子产品中的电磁骚扰等效天线天线具有两种转换功能，即将电压和电流转换成电磁波并传输到空间中，或者将空间中的电磁波转换为电压和电流信号。在电子产品设计生产过程中，电路板和线缆线束必然存在许多等效天线，如图1所示。等效天线不仅具有发射特性，也具有接收特性，在EMI测试中作为发射天线会导致辐射发射超标；在EMS测试中充当接收天线，导致产品出现功能性能问题。电子产品电磁兼容测试一般为3 m法远场测试，偶极子天线的电磁辐射大小由公式（1）模型表达，环形天线的电磁辐射大小由公式（2）模型表达2。E=Z0IL2D（V/m）（1）E=Z0IA2D（V/m）（2）式（1）-（2）中：Z0波阻抗，其值近似为120；I被测样品等效天线中电流大小；L等效偶极子天线长度；A等效环形天线面积；D等效天线距离测试天线距离；等效天线中电流信号的波长。从公式中不难发现，降低天线长度/面积、信号频率可有效地降低电磁发射水平。2电磁兼容接地设计不当及其等效天线2.1接地分类接地设计通常可分为3类，即安全接地、信号接地与电磁兼容接地。安全接地通过低阻抗通路将产品机壳或底盘与大地或代替大地的船体、机体相连，通常没有电流流过；信号接地则是信号电流返回其源的低阻抗通道，可细分为信号返回和电源返回，与产品的电磁兼容性息息相关；电磁兼容接地是出于电磁兼容设计而要求的接地，包括屏蔽接地、滤波器接地3。由于安全接地线载流的唯一时刻是设备故障时使设备安全，通常没有电流，本文主要讨论信号接地与电磁兼容接地。2.2 PCB接地设计不当的等效天线分析随着电路板集成度越来越高，速度越来越快，对PCB布局走线提出了更高的要求。常见的电磁兼容问题主要是因为元器件布局、地平面设计和高速信号走线不合理导致4。未按照功能、信号特性划分的PCB布局将导致导线过长，由于导线间存在容性耦合，将不同电路模块的噪声信号耦合至其他电缆线路并对外发射噪声；电源/地平面设计不合理导致电源/地平面的寄生电感增大，过大的寄生电感带来更大的噪声电压，噪声电压驱动PCB走线、线缆线束，等效为偶极子天线导致传导、辐射超标；未进行阻抗匹配、跨地平面的高速信号走线将带来更大的反射噪声及信号回路面积，导致辐射发射超标。常见的具有一定隐蔽性错误的PCB地设计如图2所示。图1偶极子天线与环形天线a偶极子天线b环形天线袁胜军等：电磁兼容接地分析与设计a地平面不完整b跨地平面分割布线73电子产品可靠性与环境试验DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2022年图2a所示的地平面设计，因无法减小回路面积，故不能减小电磁辐射。由于大量的信号走线没有进行伴地设计，所以也无法减小轨线间的串扰。图2b所示的地平面分割设计，2组地平面间通过导线单点地连接；由于3组信号跨地平面走线且未通过电容近距离搭接，所以可等效为3组环形天线并对外产生电磁辐射；由于3组信号均通过导线进行信号返回，导线上存在较大的噪声电压，所以在带来公共地阻抗耦合的同时，噪声驱动两组地平面也形成等效偶极子天线，对外产生电磁辐射。图2c所示的接地平面在信号返回电流路径上存在沟槽，信号返回电流被迫绕沟槽回流，形成很大的回流面积，等效为环形天线对外产生电磁辐射。图2d所示的PCB间排线连接，由于电源线、信号线均未采用伴地设计，同理于图2b，所以可等效为5组环形天线、公共低阻抗耦合，地噪声驱动两侧地平面等效成偶极子天线对外产生电磁辐射。2.3底盘接地不当的等效天线分析所有的地，无论是地走线还是地平面，均具有一定的阻抗。流经工作地中的电流主要有两个方面：1）信号回流；2）电源回流。当电流流过时，产生电压降。若PCB与机壳搭接不当，将带来共模电压，共模电压驱动与PCB连接的电缆，形成等效偶极子/单极子天线，对外产生电磁辐射。常见的不正确的搭接方式如图3所示。如图3b所示，PCB地平面采用IO电缆远端的单点搭接产品机壳。由于PCB地平面存在阻抗，所以工作电流产生的地电位差UG驱动IO接口电缆等效为单极子天线，对外产生电磁辐射。UG的大小由公式（3）所示的模型表达，ZG为地阻抗。UG=ZG1I1+ZG2I2+ZG3I3（3）2.4电缆屏蔽层搭接机壳地不当的等效天线分析电子产品出于防电磁辐射和提高抗干扰能力等因素的考虑，信号线往往使用屏蔽电缆设计。若使用过程中，电缆屏蔽层与金属机壳未采用360搭接方式，而将屏蔽层在接近产品信号端口的地方拧成猪尾巴状（Pigtail）与金属机壳进行端接，就会导致电磁兼容问题5。屏蔽电缆猪尾巴效应示意图与其等效天线模型如图4所示。屏蔽电缆猪尾巴的存在，相当于在屏蔽层上串联了一个数十纳亨的电感，因屏蔽层电流的作用而产生一个共模电压。随着频率的增大，猪尾巴连接的阻抗也将增大，使屏蔽电缆失去屏蔽效果。图4展示了猪尾巴的屏蔽电缆形成辐射的原理，即较大的阻抗形成较大的压降UPigtail，该压降驱动屏蔽层变成了等效单极子天线，对外产生电磁辐射。图2隐藏寄生天线的PCB地设计图3底盘接地不当及其等效天线图4屏蔽电缆猪尾巴效应及其等效天线c地平面沟槽d PCB连接线信号分布a等效天线b IO接口远端PCB机壳搭接方式a等效天线b电缆屏蔽层猪尾巴搭接机壳地74DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN第1期2.5滤波器与机壳地搭接不良的等效天线分析滤波器内部的共模滤波电容连接到滤波器的金属外壳上，通过将滤波器的金属外壳直接安装在金属机箱上实现滤波电容的接地。在图5b的安装方式中，滤波器的外壳没有与产品机壳地低阻抗搭接（如采用长导线连接），共模滤波电容相当于通过高阻抗电感后与机壳地相连，起不到滤波的作用，其等效天线依然为单极子天线。3电磁兼容接地设计在PCB设计过程中，接地是信号返回其源的低阻抗通道。接地设计的根本目的主要体现在以下两个方面。a）信号返回其源的路径首先，这个路径必须足够的短，否则其等效的环形天线将导致电磁发射和抗干扰能力的降低；其次，这个路径不能影响到电路的敏感单元，不能通过已被污染的干扰电流较大的地走线。b）此路径必须为低阻抗高阻抗将产生高共模电压导致产品发射超标。对于静电、EFT等外部共模干扰电流，也需要设计其低阻抗返回路径，控制其路径不能经过PCB的功能区，并保证路径的低阻抗，共模电流流过高阻抗路径时将导致共模电流转为差模电压，影响产品的可靠性。底盘接地与PCB地平面通常在一点或多点连接在一起，接地点位置决定噪声的大小。在有输入输出IO电缆的PCB情况下，电路地与底盘