3.6　地线环路干扰

3.6.1　地线环路干扰现象及成因

如果两台设备通过较长的电缆连接就可能会发生地线环路干扰现象，这种干扰会导致设备工作异常，严重时甚至会造成整个系统瘫痪。那么是什么原因导致的地线环路干扰呢？我们通过图3-8来讲解这个问题，设备1—互连电缆—设备2—地线构成了回路。由于某种原因，这个回路中会产生地环路电流I1和I2。如果电路是非平衡的，I1≠I2，就会在设备2的输入端形成噪声电压VN，从而对电路形成干扰。综上所述产生地线环路干扰的内在原因就是地环路电流的存在。

形成地环路电流有以下三个原因：

① 两台设备的接地点不同，如果两个接地点的电位不同，就会在两个设备的接地点之间形成电压。在这个电压的驱动下，在设备1—互连电缆—设备2—地线形成的环路中形成电流，如图3-9所示。在地线设计不良的建筑物中通常会发生这种情况，由于其地线阻抗较大，当电流流过地线时产生了电压降。

② 还有一种情况比较常见，那就是当一个设备的地线电压较大时，这个电压驱动了地环路电流。它通常由下面三种原因产生，如图3-10所示。

a.电路的地线电流。例如，在应用开关电源的设备中一般装有电源线滤波器，开关电源的干扰电流就会通过滤波电容流进安全地线，由于开关电源的工作频率较高，比如40kHz，在这个频率上地线呈现出较大的阻抗，这个电流就会在这段地线上产生电压降。当地线的长度为10m时，它的内电感约为10μH，对于40kHz的电流的阻抗约为2.5Ω，若电流为10mA，则地线电压为25mV。这个电压足以对一个灵敏度较高的模拟系统产生干扰。

b.静电放电电流。当机壳上发生静电放电时，放电电流会流过安全地线。由于静电放电电流频率很高，地线呈现出的感抗很大，因此瞬间会产生很高的地线电压，造成严重的干扰问题。

c.浪涌泄放电流流过地线。当电源线上出现浪涌电压时，浪涌抑制器就会发生放电，将浪涌能量旁路到大地，浪涌电流（可达几千安培）就会在地线上产生电压。由于这种电压可能很高，严重时可对数字电路造成干扰。

③ 当互连设备工作在较强的交变电磁场中时，根据电磁感应理论，交变磁场会在这个回路中产生感应电压V=L（dФ/dt），其中Ф为磁通量，L为回路的电感。由于这个电压的作用，在设备1—互连电缆—设备2—地形成的环路中会感应出地环路电流，如图3-11所示。

3.6.2　地线环路问题的解决方案

由于地线环路干扰是由地环路电流引起的，在干扰频率较低的场合，有时会发现，当将一个设备的安全地线断开时，干扰现象就消失了。这是因为地线断开时，切断了地环路。当干扰频率较高（例如超过10MHz）时，由于线路板与机箱之间、机箱与大地之间分布电容的存在，断开地线的作用就不那么明显了。因为这些分布电容已经能够给高频电流提供较低阻抗的通路，维持了地环路的存在。

解决地线环路干扰问题的方法有以下几个。

（1）单点接地　这种方法仅在干扰频率较低的场合适用。如图3-12（a）所示，可以通过将两个设备通过一根地线与大地连接起来的方法，来消除地线环路。从图中可以看出，无论V1还是V2，都不会形成地环路电流。地线与信号线所包围的磁通量决定了外界磁场的干扰程度，当地线与信号线靠得很近时，干扰很小。注意，如果设备2的地线直接接到设备1的接地点，如图3-12（b）所示，则V1还会产生干扰。

如果干扰的频率较高，单点接地的方法效果就不那么明显了。尽管不存在明显的地环路，但是由于分布电容的原因，还是会有无形的地环路存在。

图3-13所示是一个单点接地减小噪声的例子。这是一个两点接地（例如接机箱）的放大器，VS为信号源，RL为放大器内阻；信号源（传感器）和负载（放大器）的地分别接在A和B两点。A、B两点的电位不同，它们之间的电压为VG。RC1、RC2是连接信号源和负载的导体的电阻。从图中可以看出，地线噪声电压形成的地环路电流，可以通过环路中的电阻在放大器的输入回路中产生干扰电压。

如果RC2<<（RL+RC1+RS），那么放大器输入端的干扰电压VN为：

VN=[RL/(RL+RC1+RS)][RC2/(RC+RG)]VG

设VG=100mV（10A电流流过电阻为0.01Ω的地线所产生的电压），RL=10kΩ，RC1=RC2=1Ω，RS=500Ω，则在后级放大器的输入端产生的干扰电压为95mV，地线噪声几乎100%地传进电路。

将系统改为单点接地可以消除这种干扰，有两个方案可以实现：一是将源端的地线断开，二是将负载端的地线断开。如果将负载端的地线断开就必须要使用浮地的电源，为了方便通常在源端断开接地。

如果将源端的地线断开，使源端与地线之间的阻抗增加为ZSG（考虑地线上交流电压的情况，由于分布电容的作用，ZSG不可能是无穷大）。设ZSG>>（RC2+RG），那么地线电压在后级放大器输入端产生的干扰为：

VN=[RL/(RL+RC1+RS)][RC2/ZSG]VG

如果ZSG是无穷大，则VN=0，即没有干扰。如果假设ZSG为1MΩ，则噪声电压为0.095μV，这样就比两点接地的情况降低了120dB。

因此这种单点接地非常适用于干扰频率较低的场合。

（2）切断两电路的电气连接　有些场合单点接地并不容易实现。例如，为了电气安全，设备必须接安全地。这时，可以通过切断两个设备之间的电气连接的方法来消除地环路。实现这个意图的方法是用光耦隔离器或隔离变压器来实现两台设备的电气连接，如图3-14所示。差模信号通过光或磁场传送，同时切断地线产生的共模干扰。

当利用隔离变压器进行两个设备之间的连接时，地线上的干扰电压会形成于变压器的初、次级之间，而不是在电路2的输入端。用变压器隔离的缺点是体积大、成本高，并且还不能传输直流。另外，由于变压器的初、次级之间有分布电容，因此高频时的隔离效果不是很理想。

设初、次级之间的分布电容是CP ,则RL上的噪声电压为：

VN=VG｛RL/[RL+1/( jωCP)]｝=VG[jωCPRL/(1+jωCPRL)]

通过上式可以得知，如果初、次级之间的分布电容较小，噪声电压也会较小。因此，要设法减小初、次级之间的分布电容。可以通过在初级和次级之间加屏蔽层的方法来减小初、次级之间的分布电容。屏蔽层的构造是用铜箔或铝箔绕一匝，但要在搭接处垫一片绝缘材料，避免形成短路环。屏蔽层一定要接地，而且必须在后级电路端接地，如图3-15所示。这样接地后，地线上的干扰经过初级与屏蔽层之间的分布电容C1耦合到屏蔽层，并被旁路到地，而不会经过屏蔽层与磁极之间的分布电容C2耦合到电路2的输入端。

如果将屏蔽层接到1点，地线噪声会直接通过C2耦合进后级电路，导致干扰问题更加严重。经过良好屏蔽的变压器能够在1MHz以下起到作用。

光电耦合器也常用来消除地环路，这样可以有效地解决隔离变压器对高频干扰隔离效果差的问题。光电耦合器件之所以能够在很高的频率起到隔离作用，是因为其寄生电容只有2pF左右。在电磁干扰要求更为严格的场合可以使用光纤，光纤不存在寄生电容的问题，能够获得十分理想的隔离效果。

光纤连接技术一般用在数字电路中。因为目前的光电转换器件还不具有非常好的线性关系，不能完全满足模拟电路中的需要。

（3）共模扼流圈　采用在电缆上安装共模扼流圈的方法可以有效地抑制地环路电流的影响。因为地环路电流实际上是一种共模电流。共模扼流圈是一种用特殊方式绕制的电感，它对差模电流来讲是呈阻性的，仅对共模电流呈现出感性。

共模扼流圈之所以能够减小地环路电流的影响，是因为其增加了地环路的阻抗。也可以这样理解：一部分噪声电压降在了共模扼流圈上，减小了对电路的影响。在两台设备的互连电缆上安装共模扼流圈的最简单方法是将整束电缆绕在铁氧体磁环上，如图3-16所示。

共模扼流圈的阻抗越大，对地线噪声的抑制作用越明显，共模扼流圈的阻抗主要取决于共模电感LCM。其共模阻抗ZCM为：

ZCM=jωLCM

对于角频率为ω的地线噪声，共模扼流圈的电感越大，抑制效果越明显。而当共模扼流圈的电感量一定时，频率越高的地线噪声抑制效果越好。

有一点需要注意，实际应用时并不是共模扼流圈的电感量越大，共模扼流圈的效果越好。因为实际的共模扼流圈上还有分布电容，它与共模电感是并联的。当频率较高时，电容的容抗较小，可以将干扰旁路绕过电感，如图3-17所示。

由于存在分布电容，实际的共模扼流圈对地线噪声的抑制作用如图3-18所示，这里假设绕制共模扼流圈的磁芯是一定的（磁材尺寸、磁材种类等）。图3-18仅给出了变化的趋势，绝对数值与设备的具体电路形式以及机箱结构等因素有关。

通过图3-18可以得知，共模扼流圈的匝数越多，对低频段的地线噪声抑制效果越好，而对频率较高的地线噪声的抑制作用则有所减弱。因此，在实际应用中，应根据地线噪声的频率特点，调整共模扼流圈的匝数。另外，要尽量减小共模扼流圈的分布电容。有关电感线圈上的分布电容问题在“滤波器”相关的章节中详细讨论。

如果共模扼流圈在某个特定频率ƒR附近的效果最好，那么这个频率ƒR就是共模电感LCM与分布电容CP的并联谐振点，其关系如下：

fR=1/[2π(LCMCP)1/2]

当地线噪声的频率为某个特定频率（比如某段频率对设备的影响最明显）时，可以通过调整共模扼流圈的电感和分布电容（可以在电感上人为并联额外的电容），使谐振频率尽量接近干扰频率，以使抑制效果达到最佳。

（4）平衡电路　两个导体及其所连接的电路相对于地线，或其他电位参考点的阻抗相同，这种电路称为平衡电路。差分放大器就是一种典型的平衡电路。图3-19所示为基本的平衡电路，其中RS1=RS2，RL1=RL2，VS1=VS2，这时地线电压VG在两根导线中产生的电流是相同的，即IN1=IN2，则负载上的电压为：

VL=IN1RL1-IN2RL2+IS(RL1+RL2)=IS(RL1+RL2)

综上所述，仅有信号电流在负载上产生电压，而地环路噪声电流在负载上没有造成影响。

在高频时，电路平衡性一般较差。因为实际的电路中会有很多分布参数，如分布电容、互感等。这些参数在频率较高时对电路阻抗的影响较大。由于这些分布参数的不确定性，电路的阻抗也是不确定的，很难保证两个导体的阻抗完全相同。因此，在高频时任何电路要做到完全平衡都是很难实现的。