EMC地线干扰形成的机理<br>——铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究（二）

【导读】本文是电子元件技术网网友原创博文《铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究》系列第二章，阐述了地线干扰形成的机理，在PCB设计中，通过适当接地方法，规避地线干扰。

《铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究》全文从电气电子设备接地重要性与地线干扰形成机理入手，重点介绍电气电子设备接地点与接地方式选择、增加地环路阻抗、降低接地阻抗等方法，来消除公共阻抗耦合、地环路等地线干扰，实现电气电子设备良好的电磁兼容。最后，针对铁路现场电磁骚扰源特性与耦合方式，成功地将地线干扰抑制方法应用于某铁路信号设备的电磁兼容设计中。

全文第一章为：EMC接地的概念与分类
3 地线干扰形成机理

电气电子设备电磁兼容问题，主要由电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备三要素组成，缺少其中任何要素，均不会构成电磁兼容问题。对于电磁兼容问题来说，弄清了电磁干扰的耦合途径，就可以采用屏蔽、滤波、接地、瞬态抑制的措施，切断其传播途径，提高电子设备的抗干扰能力或抑制其电磁骚扰。因此，电磁干扰耦合途径的研究是解决电子设备电磁兼容问题的难点与关键。

电磁兼容耦合途径主要分为传导耦合、辐射耦合。

辐射干扰耦合是指干扰源通过空间传播到敏感设备的干扰，主要分为电场（电容）耦合、磁场（电感）耦合、电磁场（天线）耦合。

所谓传导干扰是以传导耦合为主要传播方式的电磁干扰，是骚扰源与敏感设备之间最主要的耦合途径或方式。传导耦合要求在骚扰源与敏感设备之间有完整的电路连接。

其耦合途径有三种：公共电源、公共地回路、互连导线。其中，通过以公共地回路进行传导耦合的干扰，即地线干扰，最为复杂、最以难处理，也最为常见。

3.1 地线干扰耦合机理

信号地线是各种物理量的传感器、信号、通信互连设备的零电位公共基准地线。电子设备一般采用具有一定面积的铜皮面作为接地面，由于各种原因在接地面上总有接地电流通过，而金属接地两点之间总存在一定的阻抗，因而产生接地干扰电压。  可见接地电流的存在是产生接地干扰的根源。

由于信号一般都较弱，易受干扰，因此在电磁兼容设计中，对信号地的要求较高。地线干扰形成机理如下图所示：
 
                 
                                        图 4 单根信号线的地环路干扰

假设在信号线注入共模电流Si，首先会对第一部分电路IC1的输入信号产生干扰，如果在IC1的输入端加了滤波电容C(如果没有C，干扰就可能直接影响IC1)，则Si干扰信号大部分被C滤除或旁路，然后大部分会沿着PCB的地阻抗从一端流向地层的另一端，后一级的干扰将会在干扰电流流过系统时产生。

图中Z0V表示PCB中两部分电路之间的地阻抗， 表示集成电路ICI向集成电路IC2传递的信号电压。

当共模干扰电流流过地阻抗Z0V时，Z0V的两端就会产生压降，如下式所示：
                                              
该压降对集成电路IC2来说相当于在ICI的传递信号上叠加一个干扰信号。

3.2 地线干扰的特性

按照干扰信号对于电路作用的形态不同，可将传导干扰分为“共模干扰”和“差模干扰”。“差模干扰”是指的干扰电压存在于信号线及其信号地回路之间，干扰电流回路则是在导线构成的回路中流动，如下图所示：
 
                           
                                                       图 5 差模干扰电压与电流示意图

共模干扰指的是干扰电压在信号线及其信号地回路上的幅度相同，这里的电压以附近的大地、金属机箱、参考地线板等为参考电位，干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动，如下图所示：
 
                           
                                                    图 6共模干扰电压与电流示意图
下页内容：公共阻抗耦合的地线干扰和地环路干扰
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3.3 公共阻抗耦合的地线干扰

当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现共阻抗耦合。在电源线和地线上传播的骚扰电流，通常都是通过共阻抗耦合方式进入敏感电路中。

如下图所示，地电流1和地电流2都流过公共阻抗，就电路2来说，它的地电压被流动在共地阻抗的地电流1所调制，因此，一些噪声信号从电路1中通过共地阻抗耦合到电路2中。
 
                                 
                                                                          图 7 公共阻抗耦合

3.4 地环路干扰

地环路干扰是一种较常见的干扰现象，常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流，由于电路的非平衡性，地环路电流将导致对电路造成影响的差模干扰电压产生。

地环路干扰如下图所示：
 
                           
                                                                 图 8 地环路干扰

由于地线阻抗的存在，当电流流过地线上时将产生电压，当电流很大时，这个电压可以很大。

譬如轨道交通附近有大功率的电动机车通过时，会在地线中流过很强的电流，这个电流可在两个设备的连接电缆上产生电流。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流 、 不同，因此会产生差模电压 ，对电路造成影响。

由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的，因此称为地环路干扰。此外，地环路中的电流还可以由外界电磁场在感应出来。本文下一章明天刊出，敬请期待。