01 讓工程師失眠的EMC測(cè)試
我們最近開發(fā)了一款集大成的智能顯示終端，內(nèi)部包含四個(gè)關(guān)鍵板卡：
- 電源板（AC220V輸入，輸出DC12V/24V）；
- 背光驅(qū)動(dòng)板（AC220V輸入）；
- 主板（集成藍(lán)牙/WiFi/HDMI/RJ45/USB等多功能接口）；
- 轉(zhuǎn)接小板
功能測(cè)試一帆風(fēng)順，直到走進(jìn)EMC實(shí)驗(yàn)室...
"王工，低頻段又超標(biāo)了！"測(cè)試工程師小張第3次沖出實(shí)驗(yàn)室，臉色很難看。低頻不過一般都是電源問題，我們?cè)嚤榱怂谐Ｒ?guī)手段：換X電容，Y電容，共模電感，加磁環(huán)，屏蔽，各種接地整改，結(jié)果...毫無(wú)改善！
02 偶然的轉(zhuǎn)機(jī)
轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在一個(gè)下午快下班的時(shí)候。小張餓得頭暈眼花，不知道什么時(shí)候是個(gè)頭，隨意嘗試了一下——用紙片將其中一個(gè)電源板A與其它板卡和地隔離后，測(cè)試居然通過了。
"這不科學(xué)！"大伙都覺得奇怪，難道是這兩個(gè)電源板之間有什么？開玩笑說(shuō)性格不合？不過可以確定問題的本質(zhì)是：接地設(shè)計(jì)不當(dāng)。
03 這個(gè)問題怎么解釋？
咱們分兩種情況來(lái)回顧一下這個(gè)接地相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。
1. 公共阻抗耦合（共地干擾）
想象有兩個(gè)電路，它們共用同一根地線。由于地線就是信號(hào)的回流線，當(dāng)一個(gè)電路工作時(shí)，它的電流流過這段地線，就會(huì)在地線上產(chǎn)生一個(gè)小電壓降。這個(gè)電壓降會(huì)影響另一個(gè)電路，導(dǎo)致它的地電位“晃動(dòng)”，就像兩個(gè)人共用一根水管，一個(gè)人猛開龍頭時(shí)，另一個(gè)人的水壓會(huì)不穩(wěn)。
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)：
①減小公共地線部分的阻抗(如縮短公共地線線長(zhǎng))，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗合；
②減小共模電流，如通過去耦電容將一些無(wú)用的共模電流旁路到地或通過串聯(lián)高共模阻抗的共模扼流圈抑或通過選擇適當(dāng)?shù)慕拥胤绞?如并聯(lián)單點(diǎn)或多點(diǎn)接地)避免容易相互干擾的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線，以及數(shù)字電路和模擬電路共用地線。
2. 地環(huán)路干擾（地線回路問題）
地環(huán)路干擾是另一種常見的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過較長(zhǎng)電纜連接的相距較遠(yuǎn)的設(shè)備或模塊之間。由于地環(huán)路干擾是由地環(huán)路電流導(dǎo)致的，當(dāng)一個(gè)設(shè)備的安全接地線斷開時(shí)，干擾現(xiàn)象消失，這是因?yàn)榈鼐€斷開時(shí)，切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象往往發(fā)生在干擾頻率較低的場(chǎng)合，當(dāng)干擾頻率高時(shí)，與地線是否斷開關(guān)系不大。
地環(huán)路干擾形成的原因有以下兩個(gè)：
①兩個(gè)設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個(gè)地電壓的驅(qū)動(dòng)下，在電路A-互連電纜-電路B-地之間形成的環(huán)路中有電流流動(dòng)。
②由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成差模干擾。地線上的電壓是由于其它功率較大的設(shè)備共用這段地線，而在地線中引起了較強(qiáng)的電流，并且與地線有較大的阻抗有關(guān)。
由于互連設(shè)備處在較強(qiáng)的磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)在電路A-互連電纜-電路B-地之間形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流。
解決地環(huán)路干擾的基本思路有以下兩個(gè)：
①減小地環(huán)路面積。例如改變接地方式，可選擇單點(diǎn)接地。
②增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無(wú)限大時(shí)，實(shí)際上是將地環(huán)路切斷即消除了地環(huán)路。例如將一端的設(shè)備浮地或?qū)⒕€路板與機(jī)箱斷開等是直接的方法。但出于靜電防護(hù)或安全的考慮，這種直接的方法在實(shí)踐中往往是不允許的，更實(shí)用的是利用隔離變壓器、光耦合、共模扼流圈等方法。
小結(jié)
這次經(jīng)歷讓我們深刻認(rèn)識(shí)到：接地設(shè)計(jì)是解決EMC問題最經(jīng)濟(jì)有效的方法！在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就必須重視接地方案，否則后期整改成本會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
我們遇到的這個(gè)案子，按理說(shuō)應(yīng)該屬于地環(huán)路問題，因?yàn)榘阉牡財(cái)嚅_了就好，但是這兩個(gè)電源模塊其實(shí)距離也不是很遠(yuǎn)，大家有沒有什么看法？