EMC地線幹擾形成的機理
——鐵路信號設備地線幹擾抑製方法的研究(二)
發布時間:2013-06-06 來源:電子元件技術網網友原創博文 責任編輯:Cynthiali
【導讀】本文是電子元件技術網網友原創博文《鐵路信號設備地線幹擾抑製方法的研究》係列第二章,闡述了地線幹擾形成的機理,在PCB設計中,通過適當接地方法,規避地線幹擾。
《鐵路信號設備地線幹擾抑製方法的研究》全文從電氣電子設備接地重要性與地線幹擾形成機理入手,重點介紹電氣電子設備接地點與接地方式選擇、增加地環路阻抗、降低接地阻抗等方法,來消除公共阻抗耦合、地di環huan路lu等deng地di線xian幹gan擾rao,實shi現xian電dian氣qi電dian子zi設she備bei良liang好hao的de電dian磁ci兼jian容rong。最zui後hou,針zhen對dui鐵tie路lu現xian場chang電dian磁ci騷sao擾rao源yuan特te性xing與yu耦ou合he方fang式shi,成cheng功gong地di將jiang地di線xian幹gan擾rao抑yi製zhi方fang法fa應ying用yong於yu某mou鐵tie路lu信xin號hao設she備bei的de電dian磁ci兼jian容rong設she計ji中zhong。
全文第一章為:EMC接地的概念與分類
3 地線幹擾形成機理
電氣電子設備電磁兼容問題,主要由電磁騷擾源、耦合途徑、敏min感gan設she備bei三san要yao素su組zu成cheng,缺que少shao其qi中zhong任ren何he要yao素su,均jun不bu會hui構gou成cheng電dian磁ci兼jian容rong問wen題ti。對dui於yu電dian磁ci兼jian容rong問wen題ti來lai說shuo,弄nong清qing了le電dian磁ci幹gan擾rao的de耦ou合he途tu徑jing,就jiu可ke以yi采cai用yong屏ping蔽bi、濾波、接地、shuntaiyizhidecuoshi,qieduanqichuanbotujing,tigaodianzishebeidekangganraonenglihuoyizhiqidiancisaorao。yinci,dianciganraoouhetujingdeyanjiushijiejuedianzishebeidiancijianrongwentidenandianyuguanjian。
電磁兼容耦合途徑主要分為傳導耦合、輻射耦合。
輻射幹擾耦合是指幹擾源通過空間傳播到敏感設備的幹擾,主要分為電場(電容)耦合、磁場(電感)耦合、電磁場(天線)耦合。
所suo謂wei傳chuan導dao幹gan擾rao是shi以yi傳chuan導dao耦ou合he為wei主zhu要yao傳chuan播bo方fang式shi的de電dian磁ci幹gan擾rao,是shi騷sao擾rao源yuan與yu敏min感gan設she備bei之zhi間jian最zui主zhu要yao的de耦ou合he途tu徑jing或huo方fang式shi。傳chuan導dao耦ou合he要yao求qiu在zai騷sao擾rao源yuan與yu敏min感gan設she備bei之zhi間jian有you完wan整zheng的de電dian路lu連lian接jie。
其耦合途徑有三種:公共電源、公共地回路、互連導線。其中,通過以公共地回路進行傳導耦合的幹擾,即地線幹擾,最為複雜、最以難處理,也最為常見。
3.1 地線幹擾耦合機理
信號地線是各種物理量的傳感器、信號、tongxinhulianshebeidelingdianweigonggongjizhundixian。dianzishebeiyibancaiyongjuyouyidingmianjidetongpimianzuoweijiedimian,youyugezhongyuanyinzaijiedimianshangzongyoujiedidianliutongguo,erjinshujiediliangdianzhijianzongcunzaiyidingdezukang,yinerchanshengjiediganraodianya。 可見接地電流的存在是產生接地幹擾的根源。
由於信號一般都較弱,易受幹擾,因此在電磁兼容設計中,對信號地的要求較高。地線幹擾形成機理如下圖所示:

圖 4 單根信號線的地環路幹擾
假設在信號線注入共模電流Si,首先會對第一部分電路IC1的輸入信號產生幹擾,如果在IC1的輸入端加了濾波電容C(如果沒有C,幹擾就可能直接影響IC1),則Si幹擾信號大部分被C濾除或旁路,然後大部分會沿著PCB的地阻抗從一端流向地層的另一端,後一級的幹擾將會在幹擾電流流過係統時產生。
圖中Z0V表示PCB中兩部分電路之間的地阻抗, 表示集成電路ICI向集成電路IC2傳遞的信號電壓。
當共模幹擾電流流過地阻抗Z0V時,Z0V的兩端就會產生壓降,如下式所示:

該壓降對集成電路IC2來說相當於在ICI的傳遞信號上疊加一個幹擾信號。
3.2 地線幹擾的特性
按照幹擾信號對於電路作用的形態不同,可將傳導幹擾分為“共模幹擾”和“差模幹擾”。“差模幹擾”是指的幹擾電壓存在於信號線及其信號地回路之間,幹擾電流回路則是在導線構成的回路中流動,如下圖所示:

圖 5 差模幹擾電壓與電流示意圖
共模幹擾指的是幹擾電壓在信號線及其信號地回路上的幅度相同,這裏的電壓以附近的大地、金屬機箱、參考地線板等為參考電位,幹擾電流回路則是在導線與參考物體構成的回路中流動,如下圖所示:

圖 6共模幹擾電壓與電流示意圖
下頁內容:公共阻抗耦合的地線幹擾和地環路幹擾
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3.3 公共阻抗耦合的地線幹擾
danglianggeyishangbutongdianludedianliuliuguogonggongzukangshi,jiuchuxiangongzukangouhe。zaidianyuanxianhedixianshangchuanbodesaoraodianliu,tongchangdoushitongguogongzukangouhefangshijinrumingandianluzhong。
如下圖所示,地電流1和地電流2都流過公共阻抗,就電路2來說,它的地電壓被流動在共地阻抗的地電流1所調製,因此,一些噪聲信號從電路1中通過共地阻抗耦合到電路2中。

圖 7 公共阻抗耦合
3.4 地環路幹擾
地(di)環(huan)路(lu)幹(gan)擾(rao)是(shi)一(yi)種(zhong)較(jiao)常(chang)見(jian)的(de)幹(gan)擾(rao)現(xian)象(xiang),常(chang)常(chang)發(fa)生(sheng)在(zai)通(tong)過(guo)較(jiao)長(chang)電(dian)纜(lan)連(lian)接(jie)的(de)相(xiang)距(ju)較(jiao)遠(yuan)的(de)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian),其(qi)產(chan)生(sheng)的(de)內(nei)在(zai)原(yuan)因(yin)是(shi)設(she)備(bei)之(zhi)間(jian)的(de)地(di)線(xian)電(dian)位(wei)差(cha)。地(di)線(xian)電(dian)壓(ya)導(dao)致(zhi)了(le)地(di)環(huan)路(lu)電(dian)流(liu),由(you)於(yu)電(dian)路(lu)的(de)非(fei)平(ping)衡(heng)性(xing),地(di)環(huan)路(lu)電(dian)流(liu)將(jiang)導(dao)致(zhi)對(dui)電(dian)路(lu)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)的(de)差(cha)模(mo)幹(gan)擾(rao)電(dian)壓(ya)產(chan)生(sheng)。
地環路幹擾如下圖所示:

圖 8 地環路幹擾
由於地線阻抗的存在,當電流流過地線上時將產生電壓,當電流很大時,這個電壓可以很大。
譬(pi)如(ru)軌(gui)道(dao)交(jiao)通(tong)附(fu)近(jin)有(you)大(da)功(gong)率(lv)的(de)電(dian)動(dong)機(ji)車(che)通(tong)過(guo)時(shi),會(hui)在(zai)地(di)線(xian)中(zhong)流(liu)過(guo)很(hen)強(qiang)的(de)電(dian)流(liu),這(zhe)個(ge)電(dian)流(liu)可(ke)在(zai)兩(liang)個(ge)設(she)備(bei)的(de)連(lian)接(jie)電(dian)纜(lan)上(shang)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)。由(you)於(yu)電(dian)路(lu)的(de)不(bu)平(ping)衡(heng)性(xing),每(mei)根(gen)導(dao)線(xian)上(shang)的(de)電(dian)流(liu) 、 不同,因此會產生差模電壓 ,對電路造成影響。
由於這種幹擾是由電纜與地線構成的環路電流產生的,因此稱為地環路幹擾。此外,地環路中的電流還可以由外界電磁場在感應出來。本文下一章明天刊出,敬請期待。
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