电力电子技术中的接地设计.ppt
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1、1电磁兼容磁兼容设计-接地接地设计九洲九洲电气气 刘志刘志强2一 概述 接接地地技技术是是电子子通通讯设备必必须采采用用的的重重要要技技术,众众所所周周知知,电磁磁兼兼容容设计三三大大措措施施为:接接地地、屏屏敞敞和和滤波波。通通过现场和和试验统计调查,有有80%80%以以上上的的故故障障源源于于接接地地设计不不良良,正正确确的的接接地地不不仅是是保保护设备和和人人身身安安全全的的必必要要手手段段,也也是是电子子设备稳定定可可靠靠工工作作的的重重要要条条件件。如如果果接接地地设计不不好好,轻则导致致设备运运行行不不稳定定,如如程程控控数数字字交交换机机的的呼呼损增增大大、光光电传输设备的的误码
2、率率增增加加、故故障障率率上上升升,重重则导致致设备无无法法正正常常工工作作、甚甚至至发生生重重大大事事故故、使使设备毁坏,坏,这方面的例子很多,造成的方面的例子很多,造成的损失无法估量。失无法估量。3 一接地一接地设计的基本原理的基本原理 :好好的的接接地地系系统是是抑抑制制电磁磁干干扰的的一一种种技技术措措施施,其其电路路和和设备地地线任任意意两两点点之之间的的电压与与线路路中中的的任任何何功功能能部部分分相相比比较,都都可可以以忽忽略略不不计;差差的的接接地地系系统,可可以以通通过地地线产生生寄寄生生电压和和电流流偶偶合合进电路路,地地线或或接接地地平平面面总有有一一定定的的阻阻抗抗,该
3、公公共共阻阻抗抗使使两两两两接接地地点点间形形成成一一定定的的压降降,引引起起接接地地干干扰,使使系系统的的功功能能受受到到影影响响。从从而而影影响响产品的可靠性。品的可靠性。4 二二接地的目的接地的目的接地的目的主要有三个:接地的目的主要有三个:1)接接地地使使整整个个电路路系系统中中所所有有单元元电路路都都有有一一个个公公共的参考零共的参考零电位,保位,保证电路系路系统能能稳定地工作。定地工作。2)防防止止外外界界电磁磁场的的干干扰。机机壳壳接接地地可可以以使使得得由由于于静静电感感应而而积累累在在机机壳壳上上的的大大量量电荷荷通通过大大地地泄泄放放,否否则这些些电荷荷形形成成的的高高压可
4、可能能引引起起设备内内部部的的火火花花放放电而而造造成成干干扰。另另外外,对于于电路路的的屏屏蔽蔽体体,若若选择合合适的接地,也可适的接地,也可获得良好的屏蔽效果。得良好的屏蔽效果。3)保保证安安全全作作。当当发生生直直接接雷雷电的的电磁磁感感应时,可可避避免免电子子设备的的毁坏坏;当当工工频交交流流电源源的的输入入电压因因绝缘不不良良或或其其它它原原因因直直接接与与机机壳壳相相通通时,可可避避免免操操作作人人员的触的触电事故事故发生。生。5 三三电子子设备“地地”的主要种的主要种类 :1 1)大地)大地地球,良地球,良导体,有效地吸收和体,有效地吸收和发散散电流。流。2 2)系系统地地信信号
5、号回回路路的的电位位基基准准点点,简称称系系统地地、工工作作地地或或电源地。源地。3)3)模模拟地地连接模接模拟元器件接地引出端形成的地元器件接地引出端形成的地线。4)4)数字地数字地连接数字元器件接地引出端形成的地接数字元器件接地引出端形成的地线。5)5)保保护地地连接保接保护元器件接地引出端形成的地元器件接地引出端形成的地线。6)6)屏蔽地屏蔽地连接屏蔽体接地端形成的地接屏蔽体接地端形成的地线。7 7)机壳地机壳地 连接接设备的机壳。的机壳。8 8)防防雷雷地地 为防防直直击雷雷而而在在建建筑筑物物上上安安装装的的连接接各各种种接接闪器(避雷器)至接地网的地器(避雷器)至接地网的地线。9)
6、9)安全地安全地为保保证人身和人身和设备的安全而接的地的安全而接的地线。6 四接地四接地设计的基本原的基本原则 :接接地地设计的的基基本本原原则是是电位位相相同同、内内部部电路路不不互互相相干干扰、抵抵御御外外来来干干扰。各各种种地地电位位相相同同使使不不同同性性质的的电路路有有一一个个统一一的的基基准准电位位,保保证电路路功功能能的的顺利利实现。电位位相相同同要要求求不不同同的的地地就就近近相相连。内内部部电路路不不互互相相干干扰要要求求不不同同的的地地在在较远处相相连。所所以以,电位位相相同同和和不不互互相相干干扰是是一一对矛矛盾盾的的双双方方,在在何何处相相连应考考虑哪哪一一方方占占主主
7、导地地位位。当当设备受受到到的的外外来来干干扰(例例如如:ESDESD干干扰,EFTEFT干干扰,辐射射干干扰)较大大时,提提高高设备对外外来来干干扰的的抵抵御御能能力力上上升升为主主要矛盾,要矛盾,这时,各种地,各种地应合并合并为大面大面积接地。接地。7 五接地的方式五接地的方式 :1 1 浮浮动地地 2 2 单点接地点接地 1 1 并并联单点接地点接地 2 2 串串联单点接地点接地 3 3 多点接地多点接地 4 4 复合接地复合接地 8l浮浮动地地l对于于电子子产品而言,浮品而言,浮动地是指地是指设备的地的地线在在电气上气上与参考地及其它与参考地及其它导体相体相绝缘,即,即设备浮浮动地,如
8、地,如图1所所示;另一种情况是在有些示;另一种情况是在有些电子子产品中,品中,为了防止机箱了防止机箱上的上的骚扰电流直接耦合到信号流直接耦合到信号电路,有意将信号地与路,有意将信号地与机箱机箱绝缘,即,即单元元电路浮路浮动地地l单点接地点接地l接接地地点点只只有有一一个个的的连接接方方式式。在在频率率低低于于1 1MHzMHz时,较适适于于单点点接接地地,主主要要可可以以克克服服地地环路路因因素素造造成成系系统的的相相互互干干扰。按按照照接接地地点点的的不不同同,单点点接接地地可可以以分分为并并联单点点接接地地和和串串联单点点接接地两种形式地两种形式。l 并并联单点接地点接地l接接地地点点只只
9、有有一一个个,是是将将需需要要接接地地的的各各部部分分,分分别以以接接地地导线直直接接连到到电位位基基准准点点(一一般般是是直直流流电源的源的负极或零伏点);或者用极或零伏点);或者用树枝状的枝状的9多多点点放放射射式式。如如图2 2所所示示。因因为这样仅有有很很少少的的公公共共信信号号返返回回导体体,能能有有效效地地避避免免公公共共阻阻抗抗和和接接地地闭合合回回路路造造成成的的干干扰。缺缺点点是是接接地地线又又长又又多多,经济性差,而且限制了装置的工作速度或性差,而且限制了装置的工作速度或频率。率。l并并联单点点接接地地主主要要应用用于于机机框框内内各各种种汇流流条条的的汇接。接。l串串联单
10、点接地点接地l接接地地点点只只有有一一个个,是是以以一一截截面面积足足够大大的的导体体作作为接接地地母母线,直直接接接接到到电位位基基准准点点。如如图3 3所所示示。需需要要接接地地的的各各部部分分就就近近接接到到该母母线上上,由由于于接接地地母母线阻阻抗抗很很小小,故故能能够把把公公共共干干扰减减弱弱到到允允许的的程程度度。布布局局时,应把把功功率率回回路路的的接接地地点点安安排排在在靠靠近近电源源的的地地方方,而而把把小小电流流回回路路的的接接地地点点安安排排在在远离离电源源的的地方。地方。l串串联单点点接接地地主主要要应用用于于机机框框内内各各单板板参参考考地地到到汇流条的流条的连接接
11、10多点接地多点接地接接地地点点多多于于一一个个的的连接接方方式式。如如图4 4所所示示。在在高高频(f f 10MHz)10MHz)情情况况下下,由由于于接接地地线的的长度度过长,引引线电感感和和分分布布电容容的的影影响响不不能能忽忽略略,为降降低低接接地地阻阻抗抗、消消除除分分布布电容容的的影影响响而而平平面面式式多多点点接接地地,即即利利用用一一导电平平面面(如如底底板板或或多多层印印制制电路路板板的的导电平平面面层等等)作作为基基准准地地,需需要要接接地地的的各各部部分分就就近近接接到到该基基准准地地上上。由由于于导电平平面面的的高高频阻阻抗抗很很低低,所所以以各各处的的基基准准电位位
12、比比较接接近近。为进一一步步减减少少接接地地回回路路的的压降降,可可用用旁旁路路电容容等等办法法减减少少返返回回电流的幅流的幅值及前沿陡度。及前沿陡度。多点接地方式主要多点接地方式主要应用于高用于高频信号到参考平面的信号到参考平面的连接。接。11复合接地复合接地单点点接接地地和和多多点点接接地地同同时作作用用的的连接接方方式式。如如图5 5所所示示。既既包包含含了了单点点接接地地地地特特性性,也也包包含含了了多多点点接接地地地地特特性性。主主要要应用用于于1 1MHz MHz f f 10MHz10MHz,低低频时单点点接接地地,高高频时多多点点接接地地的的场合合和和复复杂系系统的接地。的接地
13、。12图1浮浮动地方式地方式13图2并并联单点接地点接地14图3串串联单点接地点接地 15图4多点接地多点接地 16图5复合接地复合接地 17一一设备系系统接地的原接地的原则 电磁磁噪噪声声或或电磁磁干干扰引引起起的的故故障障,绝大大多多数数(约占占5757)出出自自机机壳壳地地、工工作作地地线路路的的电位位波波动。降降低低机机壳壳地地、工工作作地地线路路阻阻抗抗,对于于抗抗脉脉冲冲噪噪声声和和静静电放放电都有利。都有利。接地是接地是为了在了在电路和某些基准点之路和某些基准点之间建立良好建立良好的的电气通路,气通路,为所有的信号提供一个公共的参考所有的信号提供一个公共的参考电平,以及防止因平,
14、以及防止因设备带电对人人员造成造成电击危害。危害。二二 设备接地接地设计18 1)1)接接地地的的好好坏坏取取决决于于搭搭接接的的好好坏坏。两两接接地地点点间的的电位位差差或或由由于于磁磁通通交交连使使基基准准电位位变化。化。2)2)所所有有的的接接地地都都必必须避避免免公公共共阻阻抗抗传导耦耦合合、高高阻阻抗抗的的地地回回路路和和危危险的的工工作作条条件件(由于接地故障可能造成危(由于接地故障可能造成危险)。)。3)3)接接地地线应尽尽可可能能粗粗、短短,并并直直接接搭搭接接到到接接地地板板。目目的的尽尽量量减减少少地地回回路路的的阻阻抗抗,避避免免因因频率增高造成感抗增大。率增高造成感抗增
15、大。19 4)4)在在低低频设备中中避避免免形形成成地地回回路路尤尤其其重重要要。因因为地地回回路路中中有有信信号号电流流时,接接地地线路阻抗使基准路阻抗使基准电位位变化。化。5)5)f1MHzf10MHzf10MHz,应用多点接地方式。用多点接地方式。7)7)1 1MHzf10MHzMHzf10MHz,若若用用一一点点接接地地,地地线长度度不不得得大大于于1/201/20波波长,否否则应使使用用多多点点接地。接地。20 8)8)对于于复复杂的的电子子设备,复复合合型型接接地地方方案案比比较适适用用。采采用用复复合合式式接接地地方方案案时,机机架架上上必必须设定定明明确确的的汇接接点点,汇接接
16、点点必必须是是半半径径至至少少为1010mmmm的的洁净金属面。金属面。9)9)机机架架的的地地线噪噪声声是是很很大大的的,不不能能靠靠滑滑轨、铰链等等部部件件去去接接地地。装装于于机机架架上上的的电子子电路路应有分开的地有分开的地线。10)10)在在机机壳壳或或机机架架上上应有有接接地地螺螺栓栓和和明明显的的接地接地标志,接地螺栓的参考尺寸志,接地螺栓的参考尺寸为M8M8。21二机架式系二机架式系统接地接地设计 1)模模拟地地、数数字字地地、电源源地地和和保保护地地通通过汇流流条条在机架在机架汇接点接点单点点汇接。接。2)模模拟地地和和数数字字地地根根据据产品品具具体体情情况况可可以以采采取
17、取两两种种汇接接方方式式(一一个个公公共共汇流流条条,在在汇流流条条上上单点点汇接接或两个公共或两个公共汇流条,在机架流条,在机架汇接点接点单点点汇接接)。3)3)根根据据产品品特特殊殊情情况况,对特特殊殊单元元电路路的的地地,使使用用汇流流条条汇接接于于机机架架汇接接点点。例例如如大大的的干干扰源源或或特特别敏感系敏感系统的分离地。的分离地。4 4)机机架架接接地地点点和和汇接接点点距距离离尽尽可可能能近近,接接地地点点再再以最短的扁平以最短的扁平电缆接到大地(接地平面)。接到大地(接地平面)。22 模拟工作地数字工作地电源地保护地保护地汇流条电源地汇流条工作地汇流条机架接地点汇接点机架式系
18、机架式系统接地接地树示意示意图 23 三机架式系三机架式系统接地接地设计多多层机框的接地:机框的接地:一个一个设备的多的多层机框,各机框机框,各机框的部件的工作地和保的部件的工作地和保护地地应分分别引引线接到相接到相应的的汇流流条上而不能靠条上而不能靠导轨条、条、绞链、螺、螺丝等部件去接地。等部件去接地。设备接大地:接大地:工作地、保工作地、保护地、地、-48-48V V地地连接到接到机壳接地螺栓,再由机壳接地螺栓用接地机壳接地螺栓,再由机壳接地螺栓用接地线引至接地引至接地桩或接地或接地汇集集线上,上,见下下图。如果。如果-48-48V V电源与源与 5 5V V或或 1212V V 电源有共
19、地的要求(如用源有共地的要求(如用户板),板),-48-48V V地与工地与工作地在后背板上(靠近作地在后背板上(靠近-48-48V V电源源输入插座位置)再相入插座位置)再相连。如果机房接地。如果机房接地汇集集线和和-48-48V V供供电线在地面走在地面走线,则接地螺栓接地螺栓应设置在机架下方。或者机架上下方均置在机架下方。或者机架上下方均设置接地螺栓,以方便灵活接置接地螺栓,以方便灵活接线。24 48V后背板1后背板2后背板3后背板4后背板5工作地汇流条保护地汇流条48V地汇流条48V汇流条48V地机房接地汇集线图立式大机架立式大机架设备的接地的接地设计接地螺栓25 对于有多个机架的于有
20、多个机架的设备,各个机架的,各个机架的工作地、保工作地、保护地和机壳接地分地和机壳接地分别用接地用接地线引引到接地到接地桩或接地或接地汇集集线上。上。对于三于三线五五线制交流供制交流供电的的设备,机,机壳要接交流保壳要接交流保护地地线。对于无法接大地的于无法接大地的载体,如体,如飞机、机、轮船、船、汽汽车,可把其机身的金属壳体当成大地,可把其机身的金属壳体当成大地,设备的工作地、保的工作地、保护地和机壳接地直接接到其地和机壳接地直接接到其金属壳体上。金属壳体上。26 接地接地线材料材料为多股多股铜线,截面,截面积3535mmmm,两端两端应焊接接铜鼻子。鼻子。设备机壳接地螺栓机壳接地螺栓应足足
21、够大(大(M8M8),),位置要靠近接地位置要靠近接地汇集集线,接地螺栓,接地螺栓处应有有明明显的接地的接地标志。志。工作地、保工作地、保护地、地、-48-48V V地和地和设备机壳机壳接地以及建筑防雷接地共用一接地以及建筑防雷接地共用一组接地体,接地体,称称为联合接地,以避免雷合接地,以避免雷击时出出现的地的地电位反位反击效效应。27四台式四台式设备的接地的接地设计1 1塑料外壳,塑料外壳,220220VACVAC三芯插三芯插头供供电 典典型型的的设备电脑显示示器器、小小型型示示波波器器等等。220220VACVAC电源源通通过开开关关电源源,或或变压器器整整流流稳压电源源,变换成成为直直流
22、流电源源给设备电路路供供电,三三芯芯插插头的的接接地地端端接接开开关关电源源的的地地或或屏屏蔽蔽壳壳,变压器器的的屏屏蔽蔽壳壳,内内部部电路路接接地地处于于悬浮浮状状态或或者者一一点点接接三三芯芯插插头的的接接地地端端,塑塑料料外外壳壳的的内内层如如果果镀涂涂导电屏屏蔽蔽层,也也要要接接内内部部电路路地地。与与其其他他设备互互联时,电路路工工作作地地作作为接接口口接接地地,其其输出出接接口口芯芯线通通常常串串接接1 1KK电阻阻防防止止对地短路,地短路,输入接口通常入接口通常带有隔直有隔直电容容 28 2 2 塑塑料料外外壳壳,220220VACVAC三三芯芯插插头外外接接镇流流器器供供电,设
23、备低低压直流供直流供电 典典型型的的设备小小型型化化视讯终端端等等。220220VACVAC电源源通通过开开关关电源源,或或变压器器整整流流稳压电源源,变换成成为直直流流电源源通通过直直流流电源源线给设备电路路供供电,电路路接接地地处于于悬浮浮状状态或或者者一一点点接接三三芯芯插插头的的接接地地端端,塑塑料料外外壳壳的的内内层如如果果镀涂涂导电屏屏蔽蔽层,也也要要接接内内部部电路路地地。与与其其他他设备互互联时,电路路工工作作地地作作为接接口口接接地地,输出出接接口口芯芯线通通常常串串接接1 1KK电阻阻防防止止对地地短短路路或或使使用用变压器器隔隔离离输出出,输入入接接口口通通常常带有有隔直
24、隔直电容或容或变压器。器。29 三三 PCB板的接地板的接地设计 一一PCB板的接地板的接地设计的几点的几点说明明1 1应建建立立分分布布参参数数的的概概念念。高高于于一一定定频率率时,任任何何金金属属导线都都要要看看成成是是由由电阻阻、电感感构构成成的的器器件件。因因此此,接接地地引引线具具有有一一定定的的阻阻抗抗并并且且构构成成电气气回回路路,不不管管是是单点点接接地地还是是多多点点接接地地,都都必必须构构成成低低阻阻抗抗回回路路进入入地或机架。地或机架。2 2接接地地电流流流流经接接地地线时,会会产生生传输线效效应和和天天线效效应。3 3接地板上充接地板上充满高高频电流和干流和干扰场形成
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