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实用EMI噪讯对策讲座(9)—— Ground与电源

我爱方案网| EMI,噪讯,Ground与电源| 2011-11-30
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中心议题:
    *  何谓电路
    *  电源供给
    *  Ground与接地
    *  接地工程
    *  商用电源的接地
    *  与筐体接地的关系

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最后:
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439

何谓电路


电子电路可以处理数据。数据处理本身不需要能量(power),然而电子电路动作上却需要能量,提供该能量就是所谓的电源,电源提供IC等电源给电子组件,部份能量则被IC消耗,另外一部份成为信号在信号线内传输,经过折返线(亦即Ground)折返元电源。

电子电路必需一巡才能构成电路,图1是电源与Ground构成的基本电子电路,如图所示电源线与Ground线成配对(pair)状,这意味着电源与Ground彼此是对等。为了使电子电路良好动作,电源与Ground必需维持稳定、无噪讯的电位是非常重要的要因,如果电源与Ground的电压不断漂移,电子电路就无法进行稳定的动作。

如图1所示电子电路是由电源线与Ground线构成,不过实际电路图经常未标示电源线与Ground线,大多改用图2的标示方式,图3是更简易的标示方式,图3(a)详细标示Ground符号,图3(b)则未标示Ground符号,不过这并不表示电子电路的基本结构改变。
 

电源供给
 
电源可以分成从机器外部供给,与机器内部本身具备电源两种,机器外部供给电源大多使用商用AC(交流110V电源),一般电子电路却要求直流电源,因此从机器外部供给的AC电源,必需透过机器内部的DC电源装置(直流电源装置)转换成DC电源。

商用AC电源一般会与电子机器以外的电气设备共享,这些电气设备本身几乎都不会产生噪讯(noise),不过电源ON / OFF时噪讯非常多,而且含有大量的surge,必需作充分的噪讯对策。AC电源除了噪讯以外,电源质量也是问题之一,电源质量一旦恶化,除了会妨碍电子电路的动作,还会形成广义的噪讯问题。

DC电源装置大多使用switching装置(switching regulator),switching装置本身就是噪讯发生源,常用对策是设置电源线滤波器(filter)。如图4所示电源线滤波器可以消除从AC电源线侵入的噪讯,同时还能够防止switching电源产生的噪讯流至外部等两种功能。

机器内部具备电源的场合,大多使用电池、一次电池,或是可以反复充电的二次电池,电池本身不会产生高频噪讯,而且还具备滤波器功能,不过电池会随着负载发生电压变动,或是消耗造成电压下降。
 

 


要求一定电压的电子电路,包含电池在内要求电压regulator,如果该regulator是switching regulator的话,就会成为大噪讯的发生源。
 
Ground与接地

「Ground」一词被当作「成为电子电路的电位基准场所」与「跟大地连接」两种意义使用。
相同名词使用在复数个相异意义上容易产生混淆,所以本讲座将「成为电子电路的电位基准场所」使用「Ground」一词;「跟大地连接」时使用「接地」一词。此外「跟大地连接」是指提供成为电位基准的场所,「跟大地连接」分成更「稳定」与更「安全」两种相异目的使用。

如上所述赋予成为电子电路动作基准的场所就是所谓的「Ground」,在此同时Ground则被当成信号与电源的折返线使用,信号与电源的折返线有电流流动,理论上导线是零阻抗(impedance),然而实际上导线有阻抗,电流在阻抗内流动会产生电压,Ground的相同电位也随着消失,出现电位分布现象,这意味着Ground本质上具有矛盾性,而且导线的阻抗的电感成份是支配性,高频越容易产生噪讯。此外导线的阻抗成为共通阻抗时,共通阻抗在噪讯对策上相当困难。

大地是维持稳定电位的场所,透过与大地的连接可以使Ground电位稳定化,不过某些情况与大地的连接,对噪讯反而是逆效果。

与大地的连接可以获得稳定的电位,即使相异目的也经常使用,例如筐体(frame)接地、保护人体的人体接地等等。与大地接地的筐体,它的电位几乎与大地相同电位值非常稳定,因此电位非常稳定的筐体称为「筐体接地」。

赋予成为电子电路动作基准的场所(亦即「Ground」),基于电位稳定化等目的经常会与大地连接,此时称为「信号(signal)接地」信号(signal)接地,同样的成为电子电路动作基准场所的Ground称为「Signal Ground」。

高压电源 (此处高压是对电子电路而言,包含100V也属于高压)如果从导电性筐体(case)泄漏,人体不慎接触有触电之虞(图5)。为防止触电发生危害,必需将筐体接地。

图5中的虚线就是防止触电伤害的部位,如果没有防触电伤害部位,漏电时筐体会变成高压,触电瞬间漏电电流会流入人体,设置防触电伤害部位,漏电电流几乎全部流到筐体接地,筐体电位可以被压低,即使碰触漏电筐体也不会发生触电伤害。

电子机器必需实施筐体接地,高功率机器更需要实施筐体接地,不过高功率机器的筐体接地经常受到噪讯污染,必需避免使用电子电路稳定电位常见的信号接地。

「Ground」、「earth」、「接地」三者的目的、用途彼此相异,任意使用可能会引发噪讯,图6是本讲座使用的用语,基本上本讲座不用「earth」一词。
   
 

 


「Signal Ground」是指赋予电子电路动作时,成为基准电位的场所,原本电位必需完全相同,不过当电流开始流动时就会形成电位分布。如图6所示接地与Ground只是大原则,因此某些情况信号接地与筐体未作区隔共同使用,此时简称为「接地」,同样的信号Ground与筐体Ground,某些情况也会共同使用此时简称为「Ground」。
 
接地工程

筐体接地原本是防止强电时的危害为目的,它的防护工程法规上以「接地工程基准」作规范。有关信号接地该,信号接地部位若是接地工程基准的适用对象时,必需遵循「设置工程基准」。表1是接地工程基准。

如表1所示接地工程基准分成4种规范,它是依照接地阻抗作区隔。接地阻抗的量测以交流方式进行。主要原因是大地含有电解物质,因此接地阻抗的量测无法使用直流方式。接地线的直径相当粗,它的直流阻抗即使相隔相当距离,与接地阻抗值比较时非常小所以经常被忽视。

至于接地基准,它只针对触电性能作规范,亦即只要能够对应直流或是低频即可。电子机器有「以接地基准作接地」的义务时,必需根据基准进行接地,无接地义务的电子机器,基于保全目的进行接地时,只要根据「接地工程基准」执行即可,无接地义务的电子机器通常适用地「第3种接地工程」。

大型计算机等重要信息机器的场合,通常机器制造厂商要求「第1种接地工程」,接地工程基准是保全上的问题与噪讯对策无关,一般认为第1种接地工程对噪讯对策非常优秀等见解并不正确。

电子机器的场合,大多是基于信号接地为目的而接地,此时与接地工程基准无关。信号接地主要目的是噪讯对策,由于噪讯大多是高频,因此高频时的阻抗会成为问题。
 
表1 接地工程基准

商用电源的接地

如图7所示有关电子机器的接地,出现所谓的商用电源的接地,日本的商用电源采取单线(其中一线)接地;美国的AC电源本身未接地,设有其它接地线形成三线结构,不论是日本或是美国的接地,都是基于保全目的规类成筐体接地。日本的接地方式使用电源线之中一条线作接地,无法当作一般接地使用,这种接地方式称为「AC接地」。

美国的接地方式采取与电源线不同的接地线,该线可以当作筐体接地。其实日本也使用附设接地端子的3孔插座,不过该接地端子的接地线与AC接地不同,它是使用其它接地线,因此该接地线经常被当作一般的筐体接地使用。

接地是将接地电极埋在大地,再将导线连接在接地电极,电极的形状通常是板状或是圆筒状。接地工程基准适用范围以外的场所,简易方法可以使用埋在大地下的水管等金属导管(用瓦斯管除外)。
 

 


一般电子电路高频经常引发各种问题。假设信号频率本身是直流或是低频,噪讯依旧会变成高频,因此信号接地对高频噪讯必需有效才行,亦即对高频要求接地效果。

上述接地电极通常都具备相当大的面积,而且与大地紧密接触,所以在接地电极与大地之间设置电容器,可以预期高频时的阻抗能够被大幅降低。

导线在高频时的阻抗无法忽略,导线即使是笔直(straight)的单导线同样具有阻抗,虽然导线的直流阻抗可以忽略,不过电感(inductance)造成的阻抗却无法忽略。导线的线径越粗电感则变低,因此使用粗导线进行电感对策非常有效。图8是十分粗大的导线电感与阻抗大小特性图,如图所示即使是粗大的导线,电感造成的阻抗值几乎无法忽略。
   
接地线若构成回路(loop)时阻抗会显著增加,此时尽量作直线状布线,因为接地线一旦变长天线效应会造成接地线撷取噪讯等问题。

接地线以低阻抗对大地连接时,即使发生天线效应撷取噪讯,由于接地可以抑制噪讯的电压,因此不会造成问题。不过接地线很长时,接地线本身的电感造成的阻抗却无法忽略,主要原因是接地线很长时,对噪讯会有二种意义作负面效应,为了使接地线发挥效果,接地线必需粗、短、直线化。

事实上接地效果并非局限在与大地的连接,与大地连接可以获得效果,主要原因是大地不易受到其它影响非常稳定所致,由此可知只要与具备稳定性的物体连接,就能够获得与大地连接同样效果。

大尺寸的电气导体符合上述条件,例如飞机本身无法与大地连接,不过飞机本身就是最大的导体,换言之机体就是最好的接地源。此外除了窗户以外机体几乎完全被包覆,所以机体还具备遮蔽(shield)效果。

与大地连接时使用周围附近数个简易接地场地的效果,比远处优秀接地场地更好,尤其是高楼大厦的场合利用大厦附近的钢筋接地效果,比铺设漫长接地线作远处接地更好(图9)。
   
由于钢筋间接与大地接触,这意味着大厦附近大型电气导体的效果反而比较好。信号接地若与附近大型电气导体连接,可望获得很好的效果。有筐体接地义务的电子机器,必需作筐体接地,如果没有接地义务时信号接地的性能,应该列为最优先考虑项目。
 

 


与筐体接地的关系

电子机器几乎都收容在导电性筐体内,筐体可以发挥遮蔽功能,而且对噪讯对策非常有效,由于电子机器的筐体大多会接地,其结果衍生筐体接地与信号接地错综复杂的关系,如图10所示这种关系可以分成4种组合。
 
筐体接地与信号接地彼此的目的不同,要求的性质也不同,必需各别设置接地电极。图10(a)是各别布线方式,外观上筐体接地与信号接地完全独立,不过两者都相当大,相互对向部份也很多,类似这种情况浮游电容会造成结合,Frame Ground与Signal Ground呈高频性连接,换句话说筐体接地与信号接地之间噪讯会相互传输,外观上即使两者彼此分离也没有任何意义。

一般筐体接地与信号接地不会各自设置,至于使用共通接地(图10(b)、(c))是否妥当,以图10(b)、(c)而言,图10(b)比较适宜,主要原因是图10(c)的接地方式会产生共通阻抗,设计上必需避免共通阻抗。

图10(d)的Signal Ground没有接地呈浮动状,主要原因是Signal Ground没有接地的必要性,不过Signal Ground同样会有浮游电容造成结合与噪讯传输的困扰。由于Signal Ground没有直接接地,某些情况必需透过电阻、电感、电容作接地,而且它的效果相当好,例如希望作直流浮游时可以插入电容,防止过大电流时可以插入电阻。

筐体接地单纯一台机器时,只有筐体接地与信号接地的关系,复数台机器时如何整合非常重要。筐体接地噪讯会大量入侵到筐体接地,特别是高功率机器的筐体接地,必需考虑被噪讯污染的问题。

接地理论上是指大地的电位,然而实际上有接地阻抗、接地线电感,电流一旦开始流动就会发生电压,接地理论上电流不会流动,不过噪讯或是事故时的电流会流动。

综合以上结论可知,电子机器的接地以及将遭受强电噪讯污染的接地分离,比电子机器本身的筐体接地、信号接地的分离更重要(图11)。
   
此时如图12所示必需使接地点相互分离,电子机器的接地则共享筐体接地与信号接地。大地当作接地时拥有优越的性质,不过大地得导电率并不高,电流一旦流动就会发生相当程度的电压差,依此观点理想的接地必需相互远隔,接电概念上可以形成图12所示的等价电路,相互距离太近时会干涉(图13)。 
 


本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最前:
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432

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