电子车辆的接地技术

摘 要： 从安全性接地、避雷接地、屏蔽接地、工作接地几个具体方面分析总结了现在一般接地的方式和具体应用场合，讨论了不合理的接地方式导致的干扰形成的原理和一般工程上正确接地的应用原则，并阐述了接地设计的重要性，研究了不同的系统设备的接地方案，并根据具体电子车辆上装设备情况设计了两种可行的接地方案。最后根据实际工程经验提出了对外接地电阻小于等于10 Ω，设备与汇流排的搭接电阻小于等于5 mΩ的具体参考值。

关键词： 接地； 安全性； 电磁兼容； 干扰

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）04?0076?04

电子车辆的接地最早是为了设备和人身的安全，用接地线直接将车体和大地相连接，当车体或者设备外壳漏电时及时地将电通过地线导入大地，从而保护设备和人身安全。目前随着电子车辆上装的车载电子系统的集成度也越来越高，大量的电源设备、机电设备、计算机设备、通信设备、测量仪器仪表等集中在狭小的空间中，电磁兼容问题也越来越突出，接地也越来越被重视。电子车辆的上装设备将接地线直接接在大地上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。可见，接地技术是保障上装设备和人身安全以及电子车辆上装的通信系统电磁兼容技术的重要内容之一，有必要对电子车辆的接地技术进行详细探讨。

1 接地的种类及用途

作为解决目前电子车辆上装设备电磁兼容问题和保证电子车辆安全性的方法之一的接地技术一般有以下几种目的。

1.1 安全接地

为了防止车载电子系统设备金属外壳上出现过高的对地电压或者互连线缆绝缘损坏，从而使车体带电而产生漏电流，危害人身、设备安全。故将车体通过接地线直接接地，即与大地相连。当车载电子系统设备金属外壳或者线缆的绝缘损坏而使车体带电时，促使电源的漏电保护器动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。这种接地称为安全接地。

1.2 防雷接地

当电子车辆遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，电子车辆上的上装设备都将受到极大伤害。为防止雷击而在电子车辆的电源、馈线、信号输入口都设置避雷模块，以防止雷电流危及设备和人身安全。对于电子车辆更多的是对感应雷的防护，避雷模块通过不小于6 mm2的接地线直接连接到电子车辆的系统接地点，即电子车辆的对外接地点，最后通过专门的接地线和接地钉与大地相连。在遇到雷击的瞬时过电压时，避雷模块会随着电涌电流与电压的增加其阻抗不断减小，将大量雷电电流泄入大地，从而保护了电子车辆上装设备和人员的安全。

1.3 防静电接地

通过电气设备的固定装置或者通过接地线将设备的外壳和电子车辆的车体相连，最终在车体接地柱处将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和电气设备造成危害。特别是目前电子设备中集成电路被大量应用，而集成电路容易受到静电作用产生故障，接地后可防止电气设备内的集成电路被损坏。

1.4 工作接地

工作接地是为车载电子系统的各个设备正常工作而提供的一个基准电位。由于车身的外形独特，表面积大，因此它本身就是一个巨大的电容器，电子车辆的车体可以作为车载电子系统的各个设备的基准电位。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致车载电子系统工作的不稳定。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化，从而保证车载电子系统的正常、稳定的工作。为防止各种电气设备在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。根据性质，将工作接地分为不同的种类，比如模拟地、数字地、屏蔽接地等。

1.4.1 模拟地

由于模拟电路既承担小信号的放大，又承担大信号的功率放大；既有低频的放大，又有高频放大；因此模拟电路既易接收干扰，又可能产生干扰。模拟地是电子车辆车载各种电气设备的模拟电路零电位的公共基准地线。

1.4.2 数字地

由于数字电路工作在脉冲状态，尤其是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，易对模拟电路产生干扰。数字地是电子车辆车载各种电气设备的数字电路零电位的公共基准地线。

1.4.3 屏蔽接地

在电子车辆中的屏蔽接地主要是指各种互连屏蔽线缆的接地，如果屏蔽线缆的屏蔽地处理不好，可能还会带来副作用，而屏蔽线缆屏蔽与接地应当配合使用，才能起到屏蔽的效果。

2 基本接地方式及分析

一般接地方式有三种基本方式：单点接地、多点接地和浮地。

2.1 单点接地

单点接地是指整个车载电子系统中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都直接接到这一点上，如图1所示。

若系统的工作频率很高，以致工作波长缩短到与接地引线的长度可相比拟时，就不能再采用单点接地方式了。因为当地线的长度接近[14]波长时，它就像一根终端短路的传输线，地线上的电流、电压呈驻波分布，地线变成了辐射天线，而不能起到“地”的作用。

2.2 多点接地

多点接地是指电子车辆中的电子系统中各个设备接地点都直接接到距它最近的接地点上，以使接地引线的长度最短，多点接地的优点是电路结构比单点接地简单，而且由于采用了多点接地，接地线上可能出现的高频驻波现象就显著减少。多点接地如图2所示。但是，采用多点接地以后，在系统内部形成了许多地线回路，它们对系统内较低的频率会产生不良影响。

2.3 浮地

浮地是指电子车辆系统地线系统在电气上与大地相绝缘，这样可以减少由于地电流引起的电磁干扰。各个电路的系统与地连通，但与大地绝缘。如图3所示。

若浮地系统对地电阻很大、对地分布电容很小，则由于外部共模干扰引起的流过电子线路的干扰电流就很小，但是浮地方式不能适应复杂的电磁环境。一个较大的电子系统因有较大的对地分布电容，因而很难保证真正的悬浮。当系统基准电位因受干扰而不稳定时，通过对地分布电容出现位移电流，使设备不能正常工作。浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小，而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率，且当发生雷击或静电感应时，在电路与金属箱体之间会产生很高的电位差，可能使绝缘较差的部位击穿，甚至引起电弧放电。

2.4 接地方式的工程应用

良好的接地应该尽量避免形成不必要的地回路，并要尽量减小各个设备共同的接地阻抗产生的干扰电压。

（1）单点地要解决的问题就是针对“公共地阻抗耦合”和“低频地环路”；

（2）多点地是针对“高频所容易通过长地走线产生的共模干扰”；

（3）低频电路中，信号的工作频率小于1 MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用单点接地；

（4）当信号工作频率大于10 MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地；

（5）当工作频率在1～10 MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的[120]，否则应采用多点接地法。

在实际的工程应用中，电子车辆车载电子系统中各种设备的信号交叉，故按照信号的性质对不同的信号采用不同的接地方案。低频信号、功率回路分别有各自的接地线，高频回路则采用多点接地，然后再以并联式把这三种回路连接到公共的基准点，构成混合接地。把电子系统内的地线分成3大类：模拟地、数字地、壳体地（安全地）。系统中各设备的模拟信号地线都接到模拟信号地线上，所有的数字信号地线都接到数字信号总地线上，机壳地通过固定装置接到车体。三条接地总地线最后汇总到一个公共的入地点。

2.5 地环路干扰及对策

地环路干扰是一种较常见的由于接地而出现的干扰现象，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，由于设备内部电路的非平衡性，地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。

地环路干扰形成的原因如下：

（1）两个设备的地电位不同，形成地电压，在这个电压的驱动下，“设备1?互联电缆?设备2?地”形成的环路之间有电流流动。由于设备内部电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线，在地线中引起较强电流，而地线又有较大阻抗产生的。

（2）由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在“设备1?互联电缆?设备2?地”形成的环路中感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰。

解决地环路干扰的方法：解决地环路干扰的基本思路有三个：一个是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压，但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当阻抗无限大时，实际是将地环路切断，即消除了地环路。但出于静电防护或安全的考虑，这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构，将一个设备的地线连接到另一个设备上，通过另一个设备接地。

3 电子车辆的接地解决方案

笔者曾看到某电子车辆上的大功率电台在发射时，在电台内部出现自激现象。后经检查发现电台的音频线在转接时，由于设备布局原因，音频线较长且悬在车内布线，屏蔽线的外屏蔽层没有接地且音频插头都为阳极氧化，接插件外壳不导电。后经将设备布局调整，将音频线的屏蔽层接地且贴着车壁走线，接插件更换为外壳导电插头。后经研究分析该电子车辆上出现的电台自激现象就是由于设备布局不合理和车内音频系统的接地未处理好而引发的问题。故电子车辆的接地设计在电子车辆的设计中非常重要，接地设计不好或者不重视会给后期的系统调试带来很多问题，到时再处理会耗费很多的人力、物力。所以在设计之初就要全面、系统的考虑系统接地设计。电子车辆的接地可分为车内接地和车外接地分别实施。车内接地又分为模拟地、数字地、壳体地。车内接地主要是通过接地汇流排将车内的各种地汇集在车外的接地点，最后通过车外的接地点实现电子车辆的单点接地。

3.1 车内接地

在实际电子车辆的车内接地一般根据接地的性质不同分为模拟地、数字地、壳体地三种。

（1）模拟地主要是电子车辆上的上装的电子系统中的各种模拟信号提供一稳定的零电位参考点；

（2）信号地主要是电子车辆上的上装的电子系统中的各种数字信号提供一稳定的零电位参考点；

（3）壳体地也叫屏蔽地、安全地，为防止静电感应和磁场感应而设，其实电子设备的金属机壳接地，还可以避免因绝缘击穿或其他事故导致金属机壳上出现过高对地电压而危及操作人员和设备的安全。

电子车辆上装电子系统设备一般分为电源设备、机电设备、计算机设备、通信设备、测量仪器仪表等。一般电源设备、机电设备只要壳体地，计算机设备只要模拟地、数字地、壳体地，通信设备则要模拟地、数字地、壳体地，测量仪器仪表设备要模拟地、数字地、壳体地等。在实际的电子车辆接地系统设计时须根据具体的上装系统设备类型及设备对外地的情况来具体考虑。在电子车辆上装电子系统设备的模拟地、数字地、壳体地分开的情况下，可采用三套接地系统的单点接地方案：即各设备壳体地（安全地）就近接地（车体）、设备内数字地线与模拟地线隔离并和车体绝缘、三条地线最终汇集于系统对外接地点，实现单点接地。具体方案见图4。三套接地系统保证了模拟地、数字地、壳体地（安全地）的相互隔离，有效的消除了由于干扰源与敏感设备存在共地阻抗而形成的传导干扰。

图4中：模拟地线：各设备模拟电路的接地和模拟电路用电源接地等；数字地线：各设备数字电路的接地和数字电路用电源接地等；安全地线（壳体）：各设备的干扰地、安全地及结构地，各设备就近接地（车体）。数字地线汇流排、模拟地线汇流排在车体内与车体绝缘，以保证相互之间的隔离；整个车内系统采用三条分开的地线，三条地线最终汇集于系统接地点，实现单点接地。

方案一中要求设备具有独立的模拟地线和数字地线，但现有上装设备有的模拟地与数字地合在一起，无法实现上述方案，因此可采用方案二，如图5所示。图5中，信号接地：各设备信号电路的接地和信号电路用电源接地等；安全地（壳体）：各设备的干扰地、安全地及结构地，各设备就近接地（车体）；信号地线汇流排在车体内与车体绝缘，以保证相互之间的隔离；信号地线和安全地线采用两条分开的地线，两条地线最终汇集于系统接地点，实现单点接地。两套接地设计方案在电子车辆的接地方案设计可根据实际情况选择，在具体工程实施时，一般按照以下的要求进行：

（1）依据电子车辆内设备布局设置接地汇流排；

（2）将车体的金属接地端、设备金属外壳保护地、防雷地等就近与接地汇流排相连，连接导线一般不小于35 mm2多股编织线；

（3）接地汇流排采用绝缘垫片与车体进行可靠隔离，汇流排采用尺寸一般为20 mm×2 mm的紫铜排；

（4）接地汇流排仅在车壁电源口处与车体单点可靠相连，并汇集于一点接地；

（5）屏蔽电缆屏蔽层接地要求：保证360°接地，接地阻抗≤10 mΩ；

（6）滤波器的接地：

①电源滤波器外壳与车体搭接电阻≤5 mΩ；

②信号线滤波器、滤波连接器与机柜壳体搭接电阻≤5 mΩ。

3.2 车外接地

电子车辆的车外接地点一般位于车壁电源接入口上，它是车内所有接地汇流排的汇集点，也是车载电子系统的系统接地点。电子车辆在静止状态下，用接地钉和接地线将电子车辆的对外接地点和大地连接起来。

车外接地点与大地具体接地与搭接阻抗要求：接地钉接地阻抗≤10 Ω；接地钉与导体搭接电阻≤2 mΩ（搭接时采用不小于M8的铜螺母）。当地钉的接地阻抗达不到要求时可以采用多根接地钉组成地网或者在接地钉附近浇盐水，减小接地电阻，使电子车辆系统良好接地。这样既可保证系统的正常工作也可保障操作的安全。

4 试验验证

经在多个电子车辆上试验验证，按照上述的接地方案和接地的要求，在先期进行了详细的接地方案设计的电子车辆系统，从未发生过由于接地而导致的安全性问题和系统的电磁兼容问题。实际证明解决方案是可行的，接地要求是合理的。可以作为电子车辆系统接地设计方案的参考。经实际测量车内的设备的接地电阻一般在0.001 Ω左右，特别是对一些音频设备和控制类设备，良好的接地和系统的接地方案对通话的话音等级的提高和减少话音中的杂音等有很好的效果。车外的接地电阻一般可以达到9 Ω左右，良好的车外接地可以保障整车电子系统提供一个基准电平和漏电的泄放通道，为整车安全和系统的正常可靠的工作提供保障。

5 结 语

为了电子车辆上装电气设备和人身的安全以及电子车辆上装的电子系统正常可靠的工作，必须研究并重视接地技术。接地可直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上。不合理的接地反而会引入电磁干扰，导致系统工作不正常，特别是大功率通信设备与计算机等电子信息设备、信号转接控制设备等弱电设备集成在同一车上时，应重视对接地系统的前期设计，避免在后期系统调试时出现因为接地不合理而出现的干扰问题，若后期出现干扰后再去整改，那为此而投入的人力、物力将是巨大的。因此，应当充分重视对接地技术的研究，接地技术是解决电子车辆电磁兼容和保证上装电子系统正常工作的重要技术之一。

参考文献

[1] 王定华，赵家升.电磁兼容原理与设计[M].成都：电子科技大学出版社，1995.

[2] 蔡仁钢.电磁兼容原理设计和预测技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997.

[3] 万连城，任立岗.应用EBG结构抑制电磁干扰的研究[J].电子科技，2007（11）：4?7.

[4] 何进.国外L频段航空电子设备电磁兼容设计分析及启示[J]. 现代电子技术，2010，33（3）：23?28.

[5] 姜兴杰. 电磁兼容设计及其应用[J].现代电子技术，2011，34（9）：164?167.

[6] 杨剑，张鹏.飞机电磁兼容性试验与试飞研究[J].电子科技，2011（2）：66?69.