電纜上的干擾與對策

1、電纜上的干擾與對策電纜上的干擾與對策一電纜是系統(tǒng)中導(dǎo)致電磁兼容問題的最主要因素.因此,在實際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將設(shè)備上的外拖電纜取下來時,設(shè)備就可以順利通過試驗,在現(xiàn)場中遇到電磁干擾現(xiàn)象時,只要將電纜拔下來,故障現(xiàn)象就會消失.這是由于電纜是一根高效的接收和輻射天線.另外,電纜中的導(dǎo)線平行傳輸?shù)木嚯x最長,因此導(dǎo)線之間存在較大的分部電容和互電感,這會導(dǎo)致導(dǎo)線之間發(fā)生信號的申擾.解決電纜問題的主要方法之一是對電纜進行屏蔽,但是屏蔽電纜應(yīng)該怎樣端接,怎樣的屏蔽電纜才是有效的,等一系列問題是普遍關(guān)心而模糊的問題.本節(jié)討論電纜的輻射問題、電磁場對電纜的干擾問題、導(dǎo)線之間的信號申擾問題,以及這些問題的對策.1電

2、纜的輻射問題電纜的輻射問題是工程中最常見的問題之一,90%以上的設(shè)備主要是含脈沖電路的設(shè)備不能通過輻射發(fā)射試驗都是由于電纜輻射造成的.電纜產(chǎn)生輻射的機理有兩種,一種是電纜中的信號電流差模電流回路產(chǎn)生的差模輻射,另一種是電纜中的導(dǎo)線包括屏蔽層上的共模電流產(chǎn)生的.電纜的輻射主要來自共模輻射.共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的,共模電流的環(huán)路面積是由電纜與大地或鄰近其它大型導(dǎo)體形成的,因此具有較大的環(huán)路面積,會產(chǎn)生較強的輻射.共模電流是如何產(chǎn)生的往往是許多人困惑的問題.要理解這個問題,首先明確共模電壓是導(dǎo)致共模電流的根本原因,共模電壓就是電纜與大地或鄰近的其它大型導(dǎo)體之間的電壓.從共模電壓出發(fā),尋找導(dǎo)致共模

3、電流的原因就容易了,而導(dǎo)致一個問題的原因一旦清楚,解決這個問題就不是很困難了.電纜上的共模電流產(chǎn)生的原因有以下幾點：差模電流泄漏導(dǎo)致的共模電流.即使電纜中包含了信號回線,也不能保證信號電流100%從回線返回信號源,特別是在頻率較高的場合,空間各種雜散參數(shù)為信號電流提供了第三條,甚至更多的返回路徑.這種共模電流雖然所占的比例很小,但是由于輻射環(huán)路面積大,輻射是是不能無視的.不要試圖通過將電路與大地“斷開將線路板與機箱之間的地線斷開,或?qū)C箱與大地之間的地線斷開來減小共模電流,從而減小共模輻射.將電路與大地斷開僅能夠在低頻減小共模電流,高頻時寄生電容形成的通路已經(jīng)阻抗很小.共模電流主要由雜散電容產(chǎn)

4、生.當(dāng)然,如果共模輻射的問題主要發(fā)生在低頻,將線路板或機箱與大地斷開會有一定效果.從共模電流產(chǎn)生的機理可知,減小這種共模電流的有效方法是減小差?；芈返淖杩?從而促使大局部信號電流從信號地線返回.一般信號線與回線靠得越近,那么差模電流回路的阻抗越小.一個典型的例子就是同軸電纜,由于同軸電纜的回流電流均勻分布在外皮上,具等效電流與軸心重合,因此回路面積為零,差模阻抗接近為零,幾乎100%的信號電流從同軸電纜的外皮返回信號源,共模電流幾乎為零,所以共模輻射很小.另一方面,由于差模電流回路的面積幾乎為零,差模輻射也很小,所以同軸電纜的輻射是很小的.對于高頻信號,用同軸電纜傳述可以防止輻射.實際上,這與

5、我們傳統(tǒng)上用同軸電纜傳輸高頻信號,以減小信號的損耗的目的具有相同的本質(zhì).由于信號的損耗小了,自然說明泄漏的成份少了,而這局部泄漏就是電纜的輻射.線路板的地線噪聲導(dǎo)致的共模電流.信號地線就是信號的回流線,因此,地線上的兩點之間必然存在電壓,對于高頻電路而言,這些就是高頻噪聲電壓,它作為共模電壓驅(qū)動電纜上的共模電流,導(dǎo)致共模輻射.線路板設(shè)計一章中提供的各種減小地線阻抗的設(shè)計方法,可以用來減小地線上的噪聲,從而減小共模電壓.一種推薦的方法是在電纜端口設(shè)置“干凈地.所謂干凈地就是這塊地線上沒有可以產(chǎn)生噪聲的電路,因此地線上的局部電位幾乎相等.如果機箱是金屬機箱,將這塊干凈地與金屬機箱連接起來.機箱內(nèi)電

6、磁波空間感應(yīng)導(dǎo)致的共模電流.機箱內(nèi)總是充滿了電磁波的,這些電磁波會在電纜上感應(yīng)出共模電壓,另外,電纜端口的附近也會有一些產(chǎn)生高頻電磁場的電路,這些電路與電纜之間存在著電容性耦合和電感性耦合,在電纜上形成共模電壓.電磁感應(yīng)產(chǎn)生的共模電壓.需要注意的是,機箱內(nèi)的電磁波大多由電路的差模輻射所至,在線路板設(shè)計一章,我們討論了脈沖信號差模輻射的頻譜,可知其頻率范圍是很寬的.這導(dǎo)致了共模電壓的頻率往往遠高于我們所預(yù)期的值.二電纜長度：在滿足使用要求的前提下,盡量使用短的電纜.但電纜長度往往受到設(shè)備之間連接距離的限制,不能隨意縮短.而且,當(dāng)電纜的長度不能減小到波長的一半以下時,減小電纜長度也沒明顯效果；增加

7、共模電流環(huán)路的阻抗：目的是減小共模電流,由于在共模電壓一定的情況下,增加共模電流路徑的阻抗可以減小共模電流；減小共模電壓：目的是減小共模電流,當(dāng)共模回路阻抗一定時,減小共模電壓就可以減小共模電流；低通濾波器濾波：目的是減少高頻共模電流成份,這些高頻共模電流的輻射效率很高；電纜屏蔽：目的是為共模電流提供一條環(huán)路面積較小的路徑.下面介紹在實際工程中應(yīng)用上述概念的方法.1增加共模電流回路的阻抗設(shè)備組裝完成后,設(shè)備電纜上產(chǎn)生的共模電壓也就一定了.這時,減小電纜上的共模電流的方法就是增加共模電流回路的阻抗.但是怎樣增加共?；芈返淖杩故窃S多工程師困惑的問題.他們往往試圖通過斷開線路板與機箱之間的連接,或者

8、機箱與平安地之間的連接,來增加共?；芈返淖杩?結(jié)果往往令人失望.由于這些方法僅對低頻有效,而低頻共模電流并不是輻射的主要原因.實用而有效的方法是在電纜上串聯(lián)共模扼流圈,共模扼流圈能夠?qū)材ｋ娏餍纬奢^大的阻抗,而對差模信號沒有影響,因此使用上很簡單,并且共模扼流圈不需要接地,可以直接加到電纜上.將整束電纜穿過一個鐵氧體磁環(huán)就構(gòu)成了一個共模扼流圈,根據(jù)需要,也可以將電纜在磁環(huán)上繞幾匝.為了工程方便,很多廠家提供分體式的磁環(huán),這種磁環(huán)可以很容易地卡在電纜上.電纜上套了鐵氧體磁環(huán)后,輻射強度的改善量取決于原來共模電流回路的阻抗,從共模輻射的公式容易推導(dǎo)出下面的結(jié)論推導(dǎo)中,應(yīng)用共模電壓不變的條件：共模輻

9、射改善=20lg(E1/E2=20lg(ICM1/ICM2)=20lg(ZCM2/ZCM1)=20lg(1+Z/ZCM1)式中：E1=加鐵氧體前的輻射強度,E2=加鐵氧體后的輻射強度,ICM1=加鐵氧體前的共模電流,ICM2=加鐵氧體后的共模電流,ZCM2=加鐵氧體后的共模環(huán)路阻抗,ZCM1=加鐵氧體前的共模環(huán)路阻抗,Z=共模扼流圈的阻抗.例如,如果沒加共模扼流圈時的共模電流環(huán)路阻抗為100W,共模扼流圈的阻抗為1000W,那么共模輻射改善為20dB,而如果原來的共模電流環(huán)路阻抗為1000W,那么改善量僅為6dB0為了獲得預(yù)期的干擾抑制效果,在使用鐵氧體磁環(huán)時,需要注意以下問題：a.鐵氧體材料

10、的選擇：根據(jù)要抑制干擾的頻率不同,選擇不同材料成分和磁導(dǎo)率的鐵氧體材料.鍥鋅鐵氧體材料的高頻特性由于鉆鋅鐵氧體材料,并且鐵氧體材料的磁導(dǎo)率越高,低頻的阻抗越大,而高頻的阻抗越小.這是由于導(dǎo)磁率高的鐵氧體材料電導(dǎo)率較高,當(dāng)導(dǎo)體穿過時,形成電纜與磁環(huán)之間的寄生電容較大.b.鐵氧體磁環(huán)的尺寸：磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大,軸向越長,阻抗越大.但內(nèi)徑一定要包緊導(dǎo)線.因此,要獲得大的衰減,在磁環(huán)內(nèi)徑包緊電纜的前提下,盡量使用體積較大的磁環(huán).c.共模扼流圈的匝數(shù)：增加穿過磁環(huán)的匝數(shù)可以增加低頻的阻抗,但是由于匝間寄生電容增加,高頻的阻抗會減小.盲目增加匝數(shù)來增加衰減量是一個常見的錯誤.當(dāng)需要抑制的干擾頻帶較寬時,可

11、在兩個磁環(huán)上繞不同的匝數(shù).例：某設(shè)備有兩個超標(biāo)輻射頻率點,一個是為40MHz,另一個為900MHz.經(jīng)檢查,確定是電纜的共模輻射所致.在電纜上套一個磁環(huán)(1/2匝),900MHz的干擾明顯減小,不再超標(biāo),但是40MHz頻率仍然超標(biāo).將電纜在磁環(huán)上繞3匝,40MHz干擾減小,不再超標(biāo),但900MHz超標(biāo).為了解決這個問題,使用了兩個鐵氧體磁環(huán),一個1/2匝,另一個3匝.d.電纜上鐵氧體磁環(huán)的個數(shù)：增加電纜上的鐵氧體磁環(huán)的個數(shù),可以增加低頻的阻抗,但高頻的阻抗會減小.這是由于電纜與磁環(huán)之間的寄生電容增加的緣故.e.鐵氧體磁環(huán)的安裝位置：一般盡量靠近干擾源或敏感源.對于屏蔽機箱上的電纜,磁環(huán)要盡量靠

12、近機箱的電纜進出口.由于鐵氧體磁環(huán)的效果取決于原來共模環(huán)路的阻抗,原往返路的阻抗越低,那么磁環(huán)的效果越明顯.因此當(dāng)原來的電纜兩端安裝了共模濾波電容時,由于其共模阻抗很低,磁環(huán)的效果更明顯.(三)電磁場對電纜的影響電纜處于電磁場中時,電纜上會感應(yīng)出噪聲電壓.與電纜輻射的情況相對應(yīng),電磁場在電纜上感應(yīng)出的電壓也分為共模和差模兩種.共模電壓是電磁場在電纜與大地之間的回路產(chǎn)生的,差模電壓是電磁場在信號線與信號地線形成的回路中產(chǎn)生的.當(dāng)電路是非平衡電路時,共模電流會轉(zhuǎn)換成差模電壓,對電路形成干擾.由于信號線與信號地線形成的回路面積很小,因此噪聲電壓仍以共模為主.1 .電磁場在電纜上感應(yīng)出的電壓電纜很靠近

13、地面時：電場分量垂直于地面,磁場分量垂直于導(dǎo)線-地面回路時,感應(yīng)最強.電纜很遠離地面時：電場分量平行于地面,磁場分量垂直于導(dǎo)線-地面回路時,感應(yīng)最強.電磁場在導(dǎo)線中感應(yīng)出的電壓是共模形式的,負載上的電壓是以系統(tǒng)中的公共導(dǎo)體或大地為參考點的,一般以系統(tǒng)中參考地線面為參考點.對于多芯電纜,這意味著電纜中的所有導(dǎo)體都暴露在同一個場中,它們上面所感應(yīng)的電壓取決于每根導(dǎo)體與參考點之間的阻抗.2 .電纜對低頻磁場的抑制低頻磁場干擾在實際中是很常見的,例如電源線的附近、馬達或變壓器的附近等.當(dāng)電纜穿過這種磁場時,電纜所連接的電路中就會產(chǎn)生干擾.這種干擾是由于導(dǎo)體回路面積所包圍的磁通量發(fā)生變化所致.根據(jù)電磁感

14、應(yīng)定律,導(dǎo)體上感應(yīng)的電壓幅度與它所包圍的磁通變化率成正比.如果回路面積所含的磁通量為j,那么：VN=(dj/dt)如果假設(shè)回品&面積A中所包圍的磁場是均勻的,也即,回路中各點的磁通密度B是相等的,那么j=AB,那么：VN=A(dB/dt)如果磁場按正弦規(guī)律變化,且表示成：B=B0e-jwt那么：VN=jwAB從公式中,可以看出,感應(yīng)電壓與磁場的頻率、磁通密度、回路面積等成正比.由于外界干擾場的頻率是不受控的,因此為了減小感應(yīng)電壓,應(yīng)盡量減小回路中所包圍的磁通密度和回路的面積.減小磁通密度只能通過增加電纜與磁場輻射源之間的距離來實現(xiàn).減小回路面積可以通過使用適當(dāng)?shù)碾娎|和接地方式來實現(xiàn).克

15、服磁場的干擾有效方法是減小回路的面積,也就是使信號線與其回線盡量靠近.雙絞線和同軸線在減小磁場干擾方面有很好的效果.雙絞線：雙絞線能夠有效地抑制磁場干擾,這不僅是由于雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積,而且由于雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應(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,那么效果越明顯.但是,如果電路的兩端接地,那么不再具有上述特征.由于這時每根導(dǎo)線與地平面之間構(gòu)成了一個面積很大的回路,在這個回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流.由于兩根導(dǎo)線是不平衡的,因此會產(chǎn)生差模電壓.同軸電纜：當(dāng)同軸電纜適當(dāng)連接時,對磁場干擾的抑制效果是十分理想的.由于同軸電纜上信號電流與回流可以等效為在幾何上

16、重合,具面積為00為了保持同軸電纜的這個特性,在電纜的兩端,非同軸局部,要保持面積盡量小.即屏蔽層的聯(lián)線盡量短.實際的同軸電纜,由于芯線與外層不一定是完全同心,因此會有一定的等效面積,影響其抑制效果.與雙絞線的情況相似,同軸線的兩端也不能接地,否那么在芯線與大地的回路中和外層與大地的回路中都會產(chǎn)生電流,由于電路非平衡性,會產(chǎn)生差模噪聲.由于天線的對稱原理,上述結(jié)構(gòu)的電纜如果接收效率低,那么它們的輻射效率也低,因此,雙絞線電纜和同軸電纜的輻射也較小.利用這個特點,可以減小電纜的磁場輻射.屏蔽電纜的效果與屏蔽層和電路的接地密切相關(guān).特別是當(dāng)外界干擾為磁場時,不同的連接方法效果大不相同.這組數(shù)據(jù)是在

17、磁場中針對不同的接地結(jié)構(gòu)試驗獲得的：結(jié)構(gòu)A:在信號線上套一個非磁性材料的屏蔽套,并且單點接地.對于磁場而言,當(dāng)非磁性材料的屏蔽層單點接地時,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.結(jié)構(gòu)B:將A中的屏蔽層兩端接地.這時就能夠提供一定的屏蔽效能了.由于由屏蔽層與地平面構(gòu)成的環(huán)路中也感應(yīng)了電流,這個電流產(chǎn)生了一個與原磁場相反的磁場,使信號回路中的磁場減弱,感應(yīng)噪聲減小.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,實際的感應(yīng)回路并不小,因此效果較差.結(jié)構(gòu)D:在雙絞

18、線上加了一個單端接地的屏蔽層,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.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,屏蔽效能有所提升.說明：結(jié)構(gòu)C是一種常見的錯誤,在實踐中要防止.結(jié)構(gòu)F:電路只在單點接地,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升.理想的同軸電纜回路面積為0,不會感應(yīng)上任何噪聲電壓.實際同軸電纜的屏蔽效果取決于芯線與外層軸心的偏差.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.實際的抑制效果比55更高,由于這里有些電場感應(yīng)了進

19、來.這從結(jié)構(gòu)H可以看出.在結(jié)構(gòu)H中,單端接地的屏蔽層抑制了電場感應(yīng),是屏蔽效果提升到70.結(jié)構(gòu)H:在G的根底上增加一個單端接地的屏蔽層,消除了實驗裝置產(chǎn)生的附加電場的影響.這里的屏蔽效果沒有F高,是由于雙絞線的回路面積沒有同軸電纜的小.增加絞節(jié)密度可以進一步提升抑制效果.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.這是由于屏蔽層兩端接地后,在屏蔽層上產(chǎn)生了感應(yīng)電流,這個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.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,進一步提升了屏蔽效能,但沒有到達F的水平,由于F中的電纜是同軸電纜,具有很小的感應(yīng)回路.問題：結(jié)構(gòu)H的屏蔽

20、效能比結(jié)構(gòu)G提升了一些,這是由于單端接地的屏蔽層消除了實驗裝置產(chǎn)生的附加額外的電場,為什么結(jié)構(gòu)D的屏蔽效能沒有比結(jié)構(gòu)C的屏蔽效能提升平衡電路：平衡電路中的兩個導(dǎo)體及與其連接的所有電路對地或其它導(dǎo)體有相同的阻抗.平衡電路對電磁場的響應(yīng)：平衡電路中的兩個導(dǎo)體幾何尺寸相同,并且靠得很近,因此可以認(rèn)為是處于同一個場強.由于它們相對于任何參照物體的阻抗都相等,因此它們上面感應(yīng)的電流是相同的,在導(dǎo)體兩端相對于參考點的電壓也是相同的.因此兩根導(dǎo)體之間的電壓為0V.假設(shè)這兩個導(dǎo)體連接在電路的輸入端,為電路提供輸入信號電壓,由于它們之間沒有噪聲電壓,因此外界電磁場對電路的輸入沒有影響.理想的平衡電路能夠反抗任何

21、強度的電磁場干擾.平衡電路性能的評估：平衡電路的平衡程度用共模抑制比來描述.共模抑制比定義為共模電壓與它所產(chǎn)生的差模電壓之比,常用分貝來表示.CMRR=20lg(VC/VD)dB例如,如果電路的共模抑制比為60dB,那么1000V的共模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.設(shè)計良好的電路,其共模抑制比可以到達60-80dB.但在高頻時,由于寄生參數(shù)的影響,電路的平衡性很難作得很好.所以,平衡電路對高頻的共模干擾也沒有很好的抑制效果.注意1:在使用平衡電路時,不僅要選用平衡電路,而且,在布線時也要保證兩根線的對稱性,這樣才能保證高頻的平衡性.注意2:雙絞線是一種平衡結(jié)構(gòu)雙絞線是一種平衡結(jié)構(gòu),因此在平衡系統(tǒng)中經(jīng)常使用雙絞線.同軸電纜那么不是平衡結(jié)構(gòu),在平衡系統(tǒng)中使用時要注意連接方法.同軸電纜只能做一根導(dǎo)體使用,具外層作為屏