第6章_電磁兼容課件-電纜

1、1電纜的電纜的EMCEMC設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 研究生學(xué)位課電磁兼容研究生學(xué)位課電磁兼容（6 6）2主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容n 電磁場電磁場在電纜線上的感應(yīng)噪聲在電纜線上的感應(yīng)噪聲n 電纜之間的串?dāng)_電纜之間的串?dāng)_n 電纜的輻射干擾電纜的輻射干擾3處于電磁場中的電纜Sh 差模電流差模電流 共模電流共模電流p 所有的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定了電纜的傳導(dǎo)敏感性試驗(yàn) 實(shí)際是空間電磁場對電纜干擾性的試驗(yàn)p 電磁場對電纜的影響分為：在信號回路中的差模干擾電差模干擾電 流流，在電纜與大地回路間的共模干擾電流共模干擾電流4差模電壓和共模電壓差模電壓和共模電壓n差模電壓差模電壓 電場產(chǎn)生電壓的原理是導(dǎo)線處于不同的電位點(diǎn)，而磁場是

2、電場產(chǎn)生電壓的原理是導(dǎo)線處于不同的電位點(diǎn)，而磁場是通過回路中的磁通時(shí)變。電纜中信號線和回線間距極小，通過回路中的磁通時(shí)變。電纜中信號線和回線間距極小，線間線間電壓電壓和磁感應(yīng)電壓幾乎為零。因此，差模干擾電壓無需考慮。和磁感應(yīng)電壓幾乎為零。因此，差模干擾電壓無需考慮。u電路的干擾主要來自差模電壓和電流，而電路的干擾主要來自差模電壓和電流，而差模感應(yīng)電壓又很小，差模干擾電壓是在電路不平衡時(shí)，共差模干擾電壓是在電路不平衡時(shí)，共模電壓轉(zhuǎn)換到差模干擾電壓的結(jié)果模電壓轉(zhuǎn)換到差模干擾電壓的結(jié)果Sh5 電磁場在電纜上的感應(yīng)電壓電磁場在電纜上的感應(yīng)電壓10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz

3、 1GHz 10GHz 0-10-20-30-40-50123ABCDEh = 0.5mL: A = 100m B = 30m C = 10m D = 3m E = 1m與與 L、h 無關(guān)無關(guān)dBV1V/m場強(qiáng)產(chǎn)生的電壓場強(qiáng)產(chǎn)生的電壓 隨頻率增加，感應(yīng)電壓增大，線越長，感應(yīng)越大隨頻率增加，感應(yīng)電壓增大，線越長，感應(yīng)越大6平衡電路的抗干擾特性平衡電路的抗干擾特性電磁場V1V2I1I2VD平衡性好壞用共模抑制比表示： CMRR = 20lg ( VC / VD )VC 高頻時(shí)，由于寄生參數(shù)的影響，平衡性會(huì)降低高頻時(shí)，由于寄生參數(shù)的影響，平衡性會(huì)降低如果電路的共模抑制比為60dB，則1000V的共模

4、電壓在電路的輸入端只能產(chǎn)生1V的差模電壓。該電路的抗雷電等產(chǎn)生的共模干擾的性能很好。 CMRR 7提高共模干擾抑制比的方法提高共模干擾抑制比的方法平衡電路屏蔽電纜CMRRf共模扼流圈平衡電路CMRR共模抑制比的高頻率性好屏蔽電纜頻率特性共模扼流圈8 屏蔽靜（低頻）電場屏蔽靜（低頻）電場0V電纜長度電纜長度 /20，多點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地9回路面積回路面積AVNVN ( d / dt ) = A ( dB / dt )磁通磁通 感應(yīng)電壓感應(yīng)電壓當(dāng)面積一定時(shí)當(dāng)面積一定時(shí) 磁場對電纜的干擾磁場對電纜的干擾jA B由于外界干擾場的頻率和強(qiáng)度是由于外界干擾場的頻率和強(qiáng)度是不受控的，應(yīng)盡量減小回路的面積。不受

5、控的，應(yīng)盡量減小回路的面積。10理想同軸線的信號電流信號電流與回流回流等效為在幾何上重合，因此電纜上的回路面積為0，整個(gè)回路面積僅有兩端的部分減小感應(yīng)回路的面積減小感應(yīng)回路的面積兩個(gè)相鄰的回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向，因此相互抵銷。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯。當(dāng)屏蔽層兩端接地時(shí)，外界磁場在原來信號與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時(shí)，也在屏蔽層與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流Is，感應(yīng)出的Is也會(huì)感應(yīng)出磁場，但是這個(gè)磁場與原來的磁場磁場方向相反，相互抵消，導(dǎo)致總磁場減小，減小了干擾。屏蔽電纜減小磁場影響VSVSVS只有兩端接地的屏蔽層才能屏蔽磁場121001M1M1M100100每米18

6、節(jié)(A)(B)(D)(E)(C)0271313281M1M100100抑制磁場干擾的試驗(yàn)數(shù)據(jù)單端接地非磁性材料的屏蔽套磁性材料的屏蔽套雙絞線/單端接地屏蔽層兩端接地 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)A：在信號線上套一個(gè)非磁性材料的屏蔽套，并且單點(diǎn)接地。對于磁場而言，當(dāng)非磁性材料的屏蔽層單點(diǎn)接地時(shí)，信號回路中的磁場沒有變化，因此磁場感應(yīng)是相同的，即這種結(jié)構(gòu)沒有屏蔽效果。這種情況屏蔽效果定義為0dB，作為參考點(diǎn)。1001M(A)0dB非磁性材料的屏蔽套 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)B：將A中的屏蔽層兩端接地。這時(shí)就能夠提供一定的屏蔽效能了。因?yàn)橛善帘螌优c地平面構(gòu)成的環(huán)路中也感應(yīng)了電流，這個(gè)電流產(chǎn)生了一個(gè)與原磁場相反的磁場，使信號回路中的磁場

7、減弱，感應(yīng)噪聲減小。1M100(B)27dB磁性材料的屏蔽套 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C：雙絞線本應(yīng)提供較好的屏蔽效果（由于相鄰絞節(jié)中感應(yīng)的電流方向相反，相互抵消），但由于電路兩端接地，實(shí)際的感應(yīng)回路并不小，因此效果較差。1M100每米18節(jié)(C)13dB 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)D：在雙絞線上加了一個(gè)單端接地單端接地的屏蔽層，由于單端接地的屏蔽層對磁場沒有屏蔽效果，因此并沒有改善雙絞線的屏蔽效能。(D)13dB1M100單端接地雙絞線/單端接地 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)E：將屏蔽層兩端接地后，同B一樣，屏蔽層中的電流產(chǎn)生的反磁場削弱了原磁場，屏蔽效能有所提高。(E)28dB1M100屏蔽層兩端接地18抑制磁場干擾的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 1001M1M

8、1M100100每米18節(jié)(F)(G)(I)(J)(H)80557063771M1M100100電纜的屏蔽層作為回流路徑，大大減小了感應(yīng)回路的面積雙絞線H中的屏蔽層兩端接地H中的屏蔽層單端接地 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)F：電路只在單點(diǎn)接地，利用電纜的屏蔽層作為回流路徑，大大減小了感應(yīng)回路的面積，因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同軸電纜回路面積為0，不會(huì)感應(yīng)上任何噪聲電壓。實(shí)際同軸電纜的屏蔽效果取決于芯線與外層軸心的偏差。1001M(F)80dB 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)G：雙絞線由于具有很小的感應(yīng)回路，并且相鄰絞節(jié)中的感應(yīng)電流對消，因此表現(xiàn)出較高的磁場屏蔽效果。實(shí)際的抑制效果比55更高，因?yàn)檫@里有些電場感應(yīng)了進(jìn)來。這從結(jié)構(gòu)H可

9、以看出。1M100每米18節(jié)(G)55dB 在結(jié)構(gòu)H中，單端接地的屏蔽層抑制了電場感應(yīng)，是屏蔽效果提高到70。1M100(H)70dB雙絞線 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)I：將H中的屏蔽層兩端接地后，導(dǎo)致屏蔽效能下降。這是因?yàn)槠帘螌觾啥私拥睾?，在屏蔽層上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，這個(gè)電流在雙絞線上感應(yīng)出電流，由于電路不是平衡的，導(dǎo)致產(chǎn)生差模電壓。(I)63dB1M100H中的屏蔽層兩端接地 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)J：將H中的屏蔽層非接地的一端接到電路公共端，進(jìn)一步提高了屏蔽效能，但沒有達(dá)到F的水平，因?yàn)镕中的電纜是同軸電纜，具有很小的感應(yīng)回路。 問題：問題：結(jié)構(gòu)H的屏蔽效能比結(jié)構(gòu)G提高了一些，這是因?yàn)閱味私拥氐钠帘螌酉藢?shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的

10、附加額外的電場，為什么結(jié)構(gòu)I的屏蔽效能沒有比結(jié)構(gòu)J的屏蔽效能提高？(J)77dB1M100H中的屏蔽層單端接地24導(dǎo)線之間兩種串?dāng)_機(jī)理導(dǎo)線之間兩種串?dāng)_機(jī)理MCICICILILR0RLR2GR2L接收導(dǎo)線的兩端情況是不同的，在靠近信號源的一端，電容耦合產(chǎn)生的電流與電感耦合產(chǎn)生的電流方向相同，幅度疊加，而在遠(yuǎn)離信號源的一端，電容耦合產(chǎn)生的電流與電感產(chǎn)生的電流方向相反，幅度抵消。因此，近端的干擾較強(qiáng)。25耦合方式的粗略判斷ZSZL 10002： 電場耦合為主電場耦合為主其它情況難說，取決于幾何結(jié)構(gòu)和頻率其它情況難說，取決于幾何結(jié)構(gòu)和頻率源電路阻抗ZS，接收電路的阻抗ZL26電容耦合模型電容耦合模型C

11、12VN j C12 / ( C12 + C2G)j + 1 / R ( C12 + C2G)V1C1GC2GRV1C12C1GC2GRV1VN27 R 1 / j ( C12 + C2G ) VN = V1 C12 / ( C12 + C2G ) 耦合公式化簡頻率很低的情況頻率很低的情況頻率、被干擾導(dǎo)體對地電阻、 兩導(dǎo)體之間的電容成正比頻率很高的情況頻率很高的情況與頻率和電路的阻抗都無關(guān)。而僅與兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容和接收導(dǎo)體與地之間的電容有關(guān)28耦合電壓耦合電壓VN = j RC12V1C12V1 (C12 + C2G)VN =1 / R (C12 + C2G)頻率頻率 電容耦合與頻率的關(guān)系可

12、以控制電容耦合的參數(shù)有三個(gè)：兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容C12 ，接收導(dǎo)體對參考地的電阻R ，接收電路對參考地的電容C2G 。其中，前兩個(gè)參數(shù)在實(shí)踐中最重要。在實(shí)踐中，常通過降低接收電路的電阻來減小電容耦合。VN = j R C12 V1C12C1GC2GRV129屏蔽層不接地：屏蔽層不接地：相當(dāng)于R無限大，應(yīng)用R很大時(shí)的前面公式 VN = VS =V1 C1S / ( C1S + CSG ) ，與無屏蔽相同，與無屏蔽相同 屏蔽層接地（此時(shí)屏蔽層接地（此時(shí)R0）時(shí)：時(shí)：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果具有理想的屏蔽效果C1sC1GCsGC1GCSGC1sVsV1V1VsC2S屏蔽對電容耦合的

13、影響全屏蔽30R 很大時(shí)：很大時(shí)：VN = V1 C12 / ( C12 + C2G + C2S ) C1sC1GCsGCSGC1sVNV1V1VNC2SC12C12C2GR 很小時(shí)：很小時(shí)：VN = j RC12 部分屏蔽對電容耦合的效果C12的大小取決于導(dǎo)體2在屏蔽體外的長度。要減小C12，就要使暴露出屏蔽層的導(dǎo)體長度盡量短31定義：定義： 自感自感L 1 / I1 ， 互感互感 M 12 / I1 1 是電流是電流I1在回路在回路1中產(chǎn)生的磁通，中產(chǎn)生的磁通， 12 是電流是電流I1在回路在回路2中產(chǎn)生的磁通中產(chǎn)生的磁通回路回路1回路回路2aba M = （ / 2 ）lnb2/（b2-

14、 a2） 互電感定義與計(jì)算32電感耦合VN d 12 / dt = d(MI1)/dt = M dI1 / dtMR2RR1RR2R1I1VNI1VNV1V1減小互感耦合的方法：減小互感耦合的方法：M = （ / 2 ）lnb2/（b2- a2） 1 增加兩個(gè)回路之間的距離；2 減小第一個(gè)回路產(chǎn)生的磁通密度（在電流幅度不變的情況下），例如將第一個(gè)回路的兩根長導(dǎo)線用雙絞線；3 減小接收回路的面積；4 調(diào)整兩個(gè)回路的相對位置、角度關(guān)系。33IN = j C12V1R2R1VVVN = j M12 I1R2R1電容耦合電感耦合電感耦合與電容耦合的判別p 區(qū)分方法：區(qū)分方法：測量導(dǎo)體一端的噪聲電壓，同

15、時(shí)調(diào)整導(dǎo)體另一端對地的阻抗，若測量電壓值隨阻抗增加而增加，則為電容耦合，若變化方向相反，則為電感耦合。 p 由電容耦合噪聲可看成是并聯(lián)在接收導(dǎo)體與地之間的電流源，電感耦合噪聲可看成是串聯(lián)在接收導(dǎo)體中的一個(gè)電壓源。34屏蔽對電感耦合的影響關(guān)鍵看互感是否由于屏蔽措施而發(fā)生了改變關(guān)鍵看互感是否由于屏蔽措施而發(fā)生了改變I1M1SM12如屏蔽體兩端接地，在屏蔽層與地構(gòu)成的回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生新的磁場將疊加在原來的12上，由于12 12 ，因此，這個(gè)屏蔽措施的引入改變了互感，因此可以斷定這種屏蔽對互感耦合有影響。35雙端接地屏蔽層的分析V12 = j M12 I1 VS2 = j MS2 I

16、S VN = V12 + VS2 M1SM12MS2+ - - +V12VS2導(dǎo)體1導(dǎo)體2屏蔽體I1IS求解這項(xiàng)求解這項(xiàng)根據(jù)電磁感應(yīng)定律，IS的方向與I1 的方向相反，因此 V12的方向與VS2的方向相反，兩者相抵消。因此減小了耦合電壓VN 。36VS2項(xiàng)求解+ LS = / IS MS2 = / IS 因此：因此：LS = MS2 導(dǎo)體導(dǎo)體2屏蔽層屏蔽層VS2 = j MS2 I S = j MS2 ( V S / ZS) = j LS V S / ( j LS+RS ) = VS j / ( j +RS/LS)37屏蔽后的耦合電壓VN = V12 + VS2 V12 = j M12I1 VS = j M1SI1因?yàn)椋阂驗(yàn)椋篗12 = M1S所以：所以：VS = j M12I1所以：所以：VS2 = j M12I1 j / ( j +RS / LS)VN = V12 - V12 j / ( j +RS / LS) = V12 (RS / LS) / ( j +RS / LS) V12 38屏蔽層的磁場耦合屏蔽效果VN M12 I1（Rs / Ls )VN j M12 I1VNRs / Ls 無屏蔽電纜無屏蔽電纜屏蔽效能屏蔽效能屏蔽電纜 lg 當(dāng)頻率很低時(shí)（ j Ls Rs ）：VN = = M12I1 ( Rs / Ls ) 感應(yīng)電壓不隨頻率增加