【導讀】本文是電子元件技術網網友原創博文《鐵路信號設備地線干擾抑制方法的研究》系列第二章，闡述了地線干擾形成的機理，在PCB設計中，通過適當接地方法，規避地線干擾。
《鐵路信號設備地線干擾抑制方法的研究》全文從電氣電子設備接地重要性與地線干擾形成機理入手，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、地環路等地線干擾，實現電氣電子設備良好的電磁兼容。最后，針對鐵路現場電磁騷擾源特性與耦合方式，成功地將地線干擾抑制方法應用于某鐵路信號設備的電磁兼容設計中。
全文第一章為：EMC接地的概念與分類
3 地線干擾形成機理
電氣電子設備電磁兼容問題，主要由電磁騷擾源、耦合途徑、敏感設備三要素組成，缺少其中任何要素，均不會構成電磁兼容問題。對于電磁兼容問題來說，弄清了電磁干擾的耦合途徑，就可以采用屏蔽、濾波、接地、瞬態抑制的措施，切斷其傳播途徑，提高電子設備的抗干擾能力或抑制其電磁騷擾。因此，電磁干擾耦合途徑的研究是解決電子設備電磁兼容問題的難點與關鍵。
電磁兼容耦合途徑主要分為傳導耦合、輻射耦合。
輻射干擾耦合是指干擾源通過空間傳播到敏感設備的干擾，主要分為電場（電容）耦合、磁場（電感）耦合、電磁場（天線）耦合。
所謂傳導干擾是以傳導耦合為主要傳播方式的電磁干擾，是騷擾源與敏感設備之間最主要的耦合途徑或方式。傳導耦合要求在騷擾源與敏感設備之間有完整的電路連接。
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干擾，即地線干擾，最為復雜、最以難處理，也最為常見。
3.1 地線干擾耦合機理
信號地線是各種物理量的傳感器、信號、通信互連設備的零電位公共基準地線。電子設備一般采用具有一定面積的銅皮面作為接地面，由于各種原因在接地面上總有接地電流通過，而金屬接地兩點之間總存在一定的阻抗，因而產生接地干擾電壓。 可見接地電流的存在是產生接地干擾的根源。
由于信號一般都較弱，易受干擾，因此在電磁兼容設計中，對信號地的要求較高。地線干擾形成機理如下圖所示：
圖 4 單根信號線的地環路干擾
假設在信號線注入共模電流Si，首先會對第一部分電路IC1的輸入信號產生干擾，如果在IC1的輸入端加了濾波電容C(如果沒有C，干擾就可能直接影響IC1)，則Si干擾信號大部分被C濾除或旁路，然后大部分會沿著PCB的地阻抗從一端流向地層的另一端，后一級的干擾將會在干擾電流流過系統時產生。
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。
當共模干擾電流流過地阻抗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來說相當于在ICI的傳遞信號上疊加一個干擾信號。
3.2 地線干擾的特性
按照干擾信號對于電路作用的形態不同，可將傳導干擾分為“共模干擾”和“差模干擾”。“差模干擾”是指的干擾電壓存在于信號線及其信號地回路之間，干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 差模干擾電壓與電流示意圖
共模干擾指的是干擾電壓在信號線及其信號地回路上的幅度相同，這里的電壓以附近的大地、金屬機箱、參考地線板等為參考電位，干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共模干擾電壓與電流示意圖
下頁內容：公共阻抗耦合的地線干擾和地環路干擾
[page]
3.3 公共阻抗耦合的地線干擾
當兩個以上不同電路的電流流過公共阻抗時，就出現共阻抗耦合。在電源線和地線上傳播的騷擾電流，通常都是通過共阻抗耦合方式進入敏感電路中。
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所調制，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 地環路干擾
地環路干擾是一種較常見的干擾現象，常常發生在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間，其產生的內在原因是設備之間的地線電位差。地線電壓導致了地環路電流，由于電路的非平衡性，地環路電流將導致對電路造成影響的差模干擾電壓產生。
地環路干擾如下圖所示：
圖 8 地環路干擾
由于地線阻抗的存在，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。
譬如軌道交通附近有大功率的電動機車通過時，會在地線中流過很強的電流，這個電流可在兩個設備的連接電纜上產生電流。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流 、 不同，因此會產生差模電壓 ，對電路造成影響。
由于這種干擾是由電纜與地線構成的環路電流產生的，因此稱為地環路干擾。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。
相關閱讀：
高速印制電路板的EMC設計
EMC接地的概念與分類
馬永健老師談EMC到底該如何設計？
三方面有效控制EMC
