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1、电子设备的接地技术分析摘要：本文介绍了电子设备的接地类型及其特点，主要对独立接地和共用接地进行详细分析，探索研究电子设备接地的合理方案。关键词：信号地、独立接地 、共用接地、等电位Abstract: The author in this article introduced various grounding of electronic device and their characteristics.The author also analized and compared independent grounding and united grounding,in order to find
2、 a reasonable way to solve the grouding problem of electronic device.Key Words: grounding of signal; independent grounding; united grounding; equipotential bonding 1引言近年来，随着微电子技术的高速发展，高大建筑和大型厂站的兴建，雷电灾害的发生越来越频繁，损失也越来越大。我国对雷电灾害的预防、消除研究从未间断，国家各部门对工程设计中防雷电危害的要求也越来越严格，越来越全面。1994年正式发布的建筑物防雷设计规范，在实行6年后，200
3、0年由国家技术监督局和建设部又对其进行了修订，增加了第六章“防雷击电磁脉冲”，这是根据IEC新出版的雷电电磁脉冲的防护标准而增编的。这也说明了我国对防雷电电磁脉冲的重视，而对电磁环境十分敏感的电子设备就迫切需要做好电磁脉冲防护。接地是防雷技术中最重要的环节，不管是直击雷、感应雷还是其它形式的雷，最终都是把雷电流送入大地，因此没有良好的接地装置是不可能可靠地防雷的。接地对电子设备的意义在于一方面可以保障设备和人生安全，另一方面可以抵御其外部天敌雷电电磁脉冲。 “接地”是电子技术中非常重要的内容，从表面上看，接地技术似乎很简单，甚至有人认为称不上技术，其实接地技术颇为复杂，它是电气安全和电磁兼容性
4、领域中至今未研究透彻的课题，常使一些单位和个人在这个不起眼的地线上吃尽了苦头，本文想从几个方面谈谈电子设备接地技术，供大家参考。2接地系统的目的和要求 对与接地系统，如果只是简单的与大地相连是远远不够的，一个好的接地系统必须达到以下的四个要求： 1）保证接地系统有很低的公共阻抗，使系统中各路电流通过该公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小。 2）在有高频电流的场合，保证“信号地”对“大地”有较低的共模电压，使通过“信号地”产生的辐射噪声最低。 3）保证地线与信号线构成的电流具有最小的回路面积，避免由地线构成“地回路”，使外界干扰磁场穿过该回路产生的差模干扰电压最小，同时也避免由地电位差通过地回路引
5、起过大的地电流，造成传导干扰。 4）保证设备和人身安全。3接地的类型接地的功能有多种，这些接地之间有着密切的联系，根据各种接地系统的功能，可以分为以下三大类： 防直击雷接地 防雷电感应接地 建筑物的防雷接地 防雷电波侵入接地 等电位连接接地 安全保护接地 直流工作地（逻辑地） 计算机设备接地 交流工作地（功率地） 计算机系统接地 SPD保护接地 防静电接地 计算机场地接地 屏蔽接地 安全保护接地 SPD保护接地一般电气设备接地 交流工作地 屏蔽接地（一般用于通信系统） 在实际工作中，并非所有的系统都全部具有上述接地要求，应根设备工作性质和实际情况进行设计。对于电子设备系统来讲，在设计时就应该考
6、虑防雷地、信号地（逻辑地或直流工作地）、功率地（交流工作地）、屏蔽地、保护接地、机壳地。3.1 防雷地 自然界中的雷电是经常发生的，现在人类记录到的雷击电流最大可达270 kA（实际上已超过此数字），因此，如何保护好设备也是一个至关重要的问题。防雷接地的目的是将雷电流引入大地，保护设备和人身安全。一般要求防雷接地电阻小于10，地网共用接地时小于1。3.2 信号地 信号地是指信号或功率传输电流流通的参考电位基准点或基准面。 也称逻辑地，是将直流电源的输出端(例如负极)，通过地网接在一起，使其成为稳定的零电位。由于微机中各种TTL电路的逻辑“0”和逻辑“1”，仅相差2V多，直流地上出现波动，可能会
7、导致出现逻辑错误，因此，直流地是最为重要的。接地电阻要求小于2。信号地系统可以概括成下列几种形式：单点接地系统、多点地网或地平面接地系统、混合接地系统及浮地系统。正常情况下，当信号频率低于1MHz时，单点接地系统是更可取的；当频率在10MHz以上时，则多点接地系统是更好的选择；而频率在1MHz10MHz之间时，通常采用单点接地，最长接地导线的长度小于1/20波长，若长于1/20波长，应当采用多点接地系统。工作于直流及低频范围的小型设备（例如测量仪），对市电频率（例如50HZ）高频的共模噪声具有很高的共模抑制比，而设备自身的功率和电压电平又不太高，此时可采用浮地系统。3.3 功率地 功率地又叫交
8、流工作地，它是交流电源的接地系统，也称安全接地系统。在机壳外，须将交流电源零线与大地相接。由于工作和安全运行的需要所进行的接地，接地电阻要求小于4，一般还要求进行多次重复接地。3.4 屏蔽地 为了防止外来的电磁场对电子设备的干扰，又为了防止电气回路间直接电磁耦合而产生的相互干扰，应将电子设备的屏蔽壳体，设备内外的屏蔽线或穿的金属管、槽进行可靠地接地，要求高的场合，还应将电子设备的房间进行屏蔽接地。这种接地方式称为屏蔽接地，其接地系统称为屏蔽接地系统。3.5 保护接地 为保护人身安全及屏蔽外界干扰将机器外壳所进行的接地，接地电阻一般也要小于4。抗干扰也属于保护接地的范畴，所谓抗干扰是指对外界干扰
9、进行屏蔽，常见的有静电屏蔽和电磁屏蔽。用良好的金属材料做成屏蔽层，并将屏蔽层可靠接地，这样可起到电磁场和静电两种屏蔽作用，即可以抗外界电力线干扰又可以抗高频电磁场干扰。接地是抗干扰中的重要问题。接地合理可以抗干扰，接地不合理则可以引起干扰。所以，地线该接的接，该浮的浮。例如，有的时候需要将屏蔽地与大地相连，或交流地与屏蔽地一点接地，有时模拟地与数字地需要浮置，同时最好使模拟地与数字地用光隔离器分开，使系统有较强的抗干扰性能。需要指出的是，有些机器的机壳与内部直流相通，对这些设备应按直流地对待。3.6 机壳地 主要指机箱底板及仪器其它金属构件接地。4 电子设备系统接地形式的选择 接地系统的形式一
10、般可根据接地引线长度和电子设备的工作频率来确定。1) 当L/20，ZRrf，频率在1MHz以下时，一般采用辐射式接地系统。 辐射式接地系统，即把电子设备中的信号接地、功率接地和保护接地分开敷设的接地引下线接至电源室的接地总端子扳，在端子板上信号接地、功率接地和保护接地接在一起，再引至接地体。2） 当L20，频率在10MHz 以上时，一般采用环（网）状接地系统。 环(网)状接地系统，即将信号接地、功率接地和保护接地接在一个公用的环状接地母线上。环状接地母线设置的地点视具体情况而定，一股可设在电源处。3） 当L20，频率在(110)MHz之间时，采用混合式接地系统。 混合式接地系统即为辐射式接地与
11、环（网）状接地相结合的系统。 上述三种接地系统的选用可根据高频阻抗及射频电阻计算结果决定： Z= Rrf L+(tg2L/ )2 () (1) Rrf= 0.2610-6L( f/)1/2/b () (2)式中 L - 从设备至环状接地体的接地引线长度 b - 接地引线宽度(mm) - 波长(m)，其值是3108 /f - 接地引线相对于铜的磁导率 - 接地引线相对于铜的导电率 f - 设备工作频率(Hz) Z - 接地引线的高频阻抗() Rrf - 接地引线的表面的射频电阻（） 由(1)、（2）两式可以知道接地线应该尽量短，并且因为L（2n+1）/4时tg2L/,Z,所以接地线长度L4及4的
12、奇数倍的情况应避开。一般情况下，接地支线长度应该小于3m，而接地干线长度应小于15m。我们在确定引下线长度时，必须对设备要求，如耐高电位能力、功率、工作频率以及接地网的情况了解清楚。由于设备与接地体相对位置是客观情况要求，有时不能减少接地干线的长度时，应采取其他措施。5 关于独立接地与共用接地的探讨 关于建筑物内电子设备的接地IEC，ITU和国家标准都推荐采用共用接地(统一接地，即防雷、交流电源、安全和电子设备使用一个接地体)和等电位连接。这样不但经济上合算技术上也合理这是因为采用统一接地后，各系统的参考电平将是相对稳定的，即使有外来干扰，其参考电平也会跟着浮动，许多工程实践已证明采用统一接地
13、是解决多系统接地的最佳方案。如果采用分开的接地系统，两个接地体之间的距离应大于20 m，否则两个接地系统形式上分开厂，而实际上(指电气上)仍末分开，这样两个独立的电气系统又可能通过接地装置而相耦合，雷击时还易发生地线间的反击，产生相互干扰，严重时甚至造成两个系统都不能正常工作. 事实上，在密度很高的建筑物群体内，将两个电气系统的接地在电气上真正分开，客观上难以办到，因为在地下要满足上述的距离要求是不切实际的，所以国内外标准都不主张采用分离、独立、专用的接地体作为电子设备接地导体的一个连接点，而是一致推荐采用共用接地系统。 在工程实践中有些厂家要求将电子设备的信号地或直流地单独接地，这是不符合等
14、电位安全要求的。电子设备为了防止电磁干扰，其直流地或信号地与外壳已相连在一起。若设备由220V交流电源供电按规程其外壳应接在保护地PE线上，而实践中各类计算机都把直流地和外壳连在一起即和PE线连在一起，(笔者在工作领域内进行的核查中，尚未发现一台计算机的直流地和外壳是绝缘的，不包括外壳为绝缘材料的机器)，外界提供了分离的信号线和保护线，但是计算机却把它们连在了一起，所以说单独接地没有实际意义。IEC标准一个建筑物内只允许有一个接地系统，即建筑物同各种用途的接地极都应纳入等电位连接范围而形成一个共同接地系统。这是因为如果存在一个以上分开的接地系统时，建筑物内各金属导体间就可能出现电位差而导致种种
15、电气事故。 在条件允许的情况下，为计算机系统单独提供一个专用接地系统也是可行的。计算机在使用单独接地系统时，要特别注意周围环境的变化，当计算机接地体附近又出现另一个接地体时，就要警惕新的接地体对原有接地系统可能产生的反击。 在电气接地装置和防雷接地装置共用和相连的情况下，当建筑物防雷装置被雷击时，共用接地装置上的电位升高(建筑物本身若由专用变压器供电，应按规定在变压器高、低压侧加装避雷器)，建筑物内电气设备的外壳电位随之升高，在设备的电源相线、信号线等对外端口处形成高电位差，所以必须安装相应的过电压保护器c 两个不同接地点的设备相连时，要注意相互干扰和采取防反击措施。 信息设备及系统接地的连接
16、方法信息系统设备的接地与建筑物共用接地系统的连接方法，有单点连接和多点连接之分(信息系统本身一般有星形连接和网状连接两种，具体如图所示)。两种接地连接方法各有特色：单点接地连接时，外部电流不能侵入系统，但设备与钢筋之间要绝缘；多点接地连接时，设备接地和室内接地多点连接，可取得低阻抗化，施工、维护方便，但外部电流可能侵人信息系统。系统设计者要根据具体情况确定使用的接地方法。 等电位连接，就是把建筑物本身和其内各种导电物用导体(电气上)焊接起来，以保证等电位。等电位连接能有效消除或降低电位差，在防范人身电击、爆炸和火灾等用电安全措施中起重要作用。同样在防雷中也离不开等电位连接。由于雷电流峰值非常大
17、，其流经之处都立即升至很高的电位(相对大地而言)，因此对于附近尚处在大地电位的导体和人产生旁侧闪络。如果建筑物内有易燃易爆物，就必然引起大火和爆炸。这种放电所产生的脉冲电磁场对建筑物内的电子设备也产生极为不利的影响。所以等电位连接也是防雷的关键措施之一，对于一座建筑物从楼顶开始、应逐层将所有导体都连接在一起，达到等电位，使每层楼内处于同一电位，处处电位相等，这样使在楼内的人和设备都不会遇到“反击”或旁侧闪击的危险。 等电位连接可均衡电位、降低电位差，消除由于电位差而导致的种种电气事故，所以在IEC标准和一些发达国家的电气规范中都将等电位连接列为安全保护的基本条件。国家强制性标准CB500549
18、5对实施等电位连接也都做出了明确规定。6. 结束语 电子设备一般都要求有一个良好的接地系统，做好接地系统既是设备稳定、可靠工作的需要，也是保障设备和人身安全的需要。电子设备的接地工程是一个系统工程,共用接地的应用已越来越广泛，但他所带来的地电位抬升问题应该引起设计者的高度重视。要解决这个问题，关键是要接地电阻的值足够小，于是有了将建筑物的结构体作为接地电极的思路。现在新建的建筑物的地梁、承台、桩、柱的主筋已经越来越充分地得到利用，这为共用接地和等电位提供了良好的前提。参考文献1 图解接地技术. 日川濑太郎主编，高桥健彦著，马杰译.-北京：科学出版社,20032 建筑防雷与电气安全技术.芮静康主编.北京：中国建筑工业出版社，20033 建筑物内电子设备的防雷保护.张小青编著.北京电子工业出版社，2000.64 建筑物防雷设计规范 GB50057-94 5 防雷.接地及电气安全技术.杨金夕主编.北京：机械工业出版社，2004.16 电子兼容设计基础及干扰抑制技术.钱照明主编.杭州：浙江大学出版社，2000.12 7 Noise Reduction Technique In Electronic Systems 美Henry W.Ott 北京：电子工业出版社，2003.9