電纜上的干擾和對(duì)策

電纜上的干擾與對(duì)策電纜是系統(tǒng)中造成電磁兼容問題的最重要因素。因此，在實(shí)際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)：當(dāng)將設(shè)備上的外拖電纜取下來(lái)時(shí)，設(shè)備就能夠順利通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)中碰到電磁干擾現(xiàn)象時(shí)，只要將電纜拔下來(lái)，故障現(xiàn)象就會(huì)消失。這是由于電纜是一根高效的接受和輻射天線。另外，電纜中的導(dǎo)線平行傳輸?shù)木嚯x最長(zhǎng)，因此導(dǎo)線之間存在較大的分部電容和互電感，這會(huì)造成導(dǎo)線之間發(fā)生信號(hào)的串?dāng)_。解決電纜問題的重要辦法之一是對(duì)電纜進(jìn)行屏蔽，但是屏蔽電纜應(yīng)當(dāng)如何端接，如何的屏蔽電纜才是有效的，等一系列問題是普遍關(guān)心而含糊的問題。本節(jié)討論電纜的輻射問題、電磁場(chǎng)對(duì)電纜的干擾問題、導(dǎo)線之間的信號(hào)串?dāng)_問題，以及這些問題的對(duì)策。電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（重要是含脈沖電路的設(shè)備）不能通過(guò)輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)都是由于電纜輻射造成的。電纜產(chǎn)生輻射的機(jī)理有兩種，一種是電纜中的信號(hào)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（涉及屏蔽層）上的共模電流產(chǎn)生的。電纜的輻射重要來(lái)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，因此含有較大的環(huán)路面積，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)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(gè)問題，首先明確共模電壓是造成共模電流的根本因素，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)，尋找造成共模電流的因素就容易了，而造成一種問題的因素一旦清晰，解決這個(gè)問題就不是很困難了。電纜上的共模電流產(chǎn)生的因素有下列幾點(diǎn)：差模電流泄漏造成的共模電流.即使電纜中包含了信號(hào)回線，也不能確保信號(hào)電流100%從回線返回信號(hào)源，特別是在頻率較高的場(chǎng)合，空間多個(gè)雜散參數(shù)為信號(hào)電流提供了第三條，甚至更多的返回途徑。這種共模電流即使所占的比例很小，但是由于輻射環(huán)路面積大，輻射是是不能無(wú)視的。不要試圖通過(guò)將電路與大地“斷開”（將線路板與機(jī)箱之間的地線斷開，或?qū)C(jī)箱與大地之間的地線斷開）來(lái)減小共模電流，從而減小共模輻射。將電路與大地?cái)嚅_僅能夠在低頻減小共模電流，高頻時(shí)寄生電容形成的通路已經(jīng)阻抗很小。共模電流重要由雜散電容產(chǎn)生。固然，如果共模輻射的問題重要發(fā)生在低頻，將線路板或機(jī)箱與大地?cái)嚅_會(huì)有一定效果。從共模電流產(chǎn)生的機(jī)理可知，減小這種共模電流的有效辦法是減小差模回路的阻抗，從而促使大部分信號(hào)電流從信號(hào)地線返回。普通信號(hào)線與回線靠得越近，則差模電流回路的阻抗越小。一種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，其等效電流與軸心重疊，因此回路面積為零，差模阻抗靠近為零，幾乎100%的信號(hào)電流從同軸電纜的外皮返回信號(hào)源，共模電流幾乎為零，因此共模輻射很小。另首先，由于差模電流回路的面積幾乎為零，差模輻射也很小，因此同軸電纜的輻射是很小的。對(duì)于高頻信號(hào)，用同軸電纜傳述能夠避免輻射。事實(shí)上，這與我們傳統(tǒng)上用同軸電纜傳輸高頻信號(hào)，以減小信號(hào)的損耗的目的含有相似的本質(zhì)。由于信號(hào)的損耗小了，自然闡明泄漏的成分少了，而這部分泄漏就是電纜的輻射。線路板的地線噪聲造成的共模電流。信號(hào)地線就是信號(hào)的回流線，因此，地線上的兩點(diǎn)之間必然存在電壓，對(duì)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(dòng)電纜上的共模電流，造成共模輻射。線路板設(shè)計(jì)一章中提供的多個(gè)減小地線阻抗的設(shè)計(jì)辦法，能夠用來(lái)減小地線上的噪聲，從而減小共模電壓。一種推薦的辦法是在電纜端口設(shè)立“干凈地”。所謂干凈地就是這塊地線上沒有能夠產(chǎn)生噪聲的電路，因此地線上的局部電位幾乎相等。如果機(jī)箱是金屬機(jī)箱，將這塊干凈地與金屬機(jī)箱連接起來(lái)。機(jī)箱內(nèi)電磁波空間感應(yīng)造成的共模電流。機(jī)箱內(nèi)總是充滿了電磁波的，這些電磁波會(huì)在電纜上感應(yīng)出共模電壓，另外，電纜端口的附近也會(huì)有某些產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)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(jī)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(jì)一章，我們討論了脈沖信號(hào)差模輻射的頻譜，可知其頻率范疇是很寬的。這造成了共模電壓的頻率往往遠(yuǎn)高于我們所預(yù)期的值。（二）電纜長(zhǎng)度：在滿足使用規(guī)定的前提下，盡量使用短的電纜。但電纜長(zhǎng)度往往受到設(shè)備之間連接距離的限制，不能隨意縮短。并且，當(dāng)電纜的長(zhǎng)度不能減小到波長(zhǎng)的二分之一下列時(shí)，減小電纜長(zhǎng)度也沒明顯效果；增加共模電流環(huán)路的阻抗：目的是減小共模電流，由于在共模電壓一定的狀況下，增加共模電流途徑的阻抗能夠減小共模電流；減小共模電壓：目的是減小共模電流，當(dāng)共?；芈纷杩挂欢〞r(shí)，減小共模電壓就能夠減小共模電流；低通濾波器濾波：目的是減少高頻共模電流成分，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)路面積較小的途徑。下面介紹在實(shí)際工程中應(yīng)用上述概念的辦法。1增加共模電流回路的阻抗設(shè)備組裝完畢后，設(shè)備電纜上產(chǎn)生的共模電壓也就一定了。這時(shí)，減小電纜上的共模電流的辦法就是增加共模電流回路的阻抗。但是如何增加共?；芈返淖杩故窃S多工程師困惑的問題。他們往往試圖通過(guò)斷開線路板與機(jī)箱之間的連接，或者機(jī)箱與安全地之間的連接，來(lái)增加共模回路的阻抗，成果往往令人失望。由于這些辦法僅對(duì)低頻有效，而低頻共模電流并不是輻射的重要因素。實(shí)用而有效的辦法是在電纜上串聯(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(duì)差模信號(hào)沒有影響，因此使用上很簡(jiǎn)樸，并且共模扼流圈不需要接地，能夠直接加到電纜上。將整束電纜穿過(guò)一種鐵氧體磁環(huán)就構(gòu)成了一種共模扼流圈，根據(jù)需要，也能夠?qū)㈦娎|在磁環(huán)上繞幾匝。為了工程方便，諸多廠家提供分體式的磁環(huán)，這種磁環(huán)能夠很容易地卡在電纜上。電纜上套了鐵氧體磁環(huán)后，輻射強(qiáng)度的改善量取決于原來(lái)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(qiáng)度，

E2＝加鐵氧體后的輻射強(qiáng)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(shí)的共模電流環(huán)路阻抗為100W，共模扼流圈的阻抗為1000W，則共模輻射改善為20dB，而如果原來(lái)的共模電流環(huán)路阻抗為1000W，則改善量?jī)H為6dB。為了獲得預(yù)期的干擾克制效果，在使用鐵氧體磁環(huán)時(shí)，需要注意下列問題：a.鐵氧體材料的選擇：根據(jù)要克制干擾的頻率不同，選擇不同材料成分和磁導(dǎo)率的鐵氧體材料。鎳鋅鐵氧體材料的高頻特性由于錳鋅鐵氧體材料，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(guò)時(shí)，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(zhǎng)，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(guò)磁環(huán)的匝數(shù)能夠增加低頻的阻抗，但是由于匝間寄生電容增加，高頻的阻抗會(huì)減小。盲目增加匝數(shù)來(lái)增加衰減量是一種常見的錯(cuò)誤。當(dāng)需要克制的干擾頻帶較寬時(shí)，可在兩個(gè)磁環(huán)上繞不同的匝數(shù)。例：某設(shè)備有兩個(gè)超標(biāo)輻射頻率點(diǎn)，一種是為40MHz，另一種為900MHz。經(jīng)檢查，擬定是電纜的共模輻射所致。在電纜上套一種磁環(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)。為理解決這個(gè)問題，使用了兩個(gè)鐵氧體磁環(huán)，一種1/2匝，另一種3匝。d.電纜上鐵氧體磁環(huán)的個(gè)數(shù)：增加電纜上的鐵氧體磁環(huán)的個(gè)數(shù)，能夠增加低頻的阻抗，但高頻的阻抗會(huì)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：普通盡量靠近干擾源或敏感源。對(duì)于屏蔽機(jī)箱上的電纜，磁環(huán)要盡量靠近機(jī)箱的電纜進(jìn)出口。由于鐵氧體磁環(huán)的效果取決于原來(lái)共模環(huán)路的阻抗，原來(lái)回路的阻抗越低，則磁環(huán)的效果越明顯。因此當(dāng)原來(lái)的電纜兩端安裝了共模濾波電容時(shí)，由于其共模阻抗很低，磁環(huán)的效果更明顯。（三）電磁場(chǎng)對(duì)電纜的影響電纜處在電磁場(chǎng)中時(shí)，電纜上會(huì)感應(yīng)出噪聲電壓。與電纜輻射的狀況相對(duì)應(yīng)，電磁場(chǎng)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(chǎng)在電纜與大地之間的回路產(chǎn)生的，差模電壓是電磁場(chǎng)在信號(hào)線與信號(hào)地線形成的回路中產(chǎn)生的。當(dāng)電路是非平衡電路時(shí)，共模電流會(huì)轉(zhuǎn)換成差模電壓，對(duì)電路形成干擾。由于信號(hào)線與信號(hào)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(chǎng)在電纜上感應(yīng)出的電壓電纜很靠近地面時(shí)：電場(chǎng)分量垂直于地面，磁場(chǎng)分量垂直于導(dǎo)線-地面回路時(shí)，感應(yīng)最強(qiáng)。電纜很遠(yuǎn)離地面時(shí)：電場(chǎng)分量平行于地面，磁場(chǎng)分量垂直于導(dǎo)線-地面回路時(shí)，感應(yīng)最強(qiáng)。電磁場(chǎng)在導(dǎo)線中感應(yīng)出的電壓是共模形式的，負(fù)載上的電壓是以系統(tǒng)中的公共導(dǎo)體或大地為參考點(diǎn)的，普通以系統(tǒng)中參考地線面為參考點(diǎn)。對(duì)于多芯電纜，這意味著電纜中的全部導(dǎo)體都暴露在同一種場(chǎng)中，它們上面所感應(yīng)的電壓取決于每根導(dǎo)體與參考點(diǎn)之間的阻抗。2.電纜對(duì)低頻磁場(chǎng)的克制低頻磁場(chǎng)干擾在實(shí)際中是很常見的，例如電源線的附近、馬達(dá)或變壓器的附近等。當(dāng)電纜穿過(guò)這種磁場(chǎng)時(shí)，電纜所連接的電路中就會(huì)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，則：VN＝（dj/dt）如果假設(shè)回路面積A中所包圍的磁場(chǎng)是均勻的，也即，回路中各點(diǎn)的磁通密度B是相等的，則j=AB，則：VN＝A（dB/dt）如果磁場(chǎng)按正弦規(guī)律變化，且表達(dá)成：B＝B0e-jwt則：VN＝j(luò)wAB從公式中，能夠看出，感應(yīng)電壓與磁場(chǎng)的頻率、磁通密度、回路面積等成正比。由于外界干擾場(chǎng)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(guò)增加電纜與磁場(chǎng)輻射源之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小回路面積能夠通過(guò)使用適宜的電纜和接地方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。克服磁場(chǎng)的干擾有效辦法是減小回路的面積，也就是使信號(hào)線與其回線盡量靠近。雙絞線和同軸線在減小磁場(chǎng)干擾方面有較好的效果。雙絞線：雙絞線能夠有效地克制磁場(chǎng)干擾，這不僅是由于雙絞線的兩根線之間含有很小的回路面積，并且由于雙絞線的每?jī)蓚€(gè)相鄰的回路上感應(yīng)出的電流含有相反的方向，因此互相抵銷。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯。但是，如果電路的兩端接地，則不再含有上述特性。由于這時(shí)每根導(dǎo)線與地平面之間構(gòu)成了一種面積很大的回路，在這個(gè)回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于兩根導(dǎo)線是不平衡的，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓。同軸電纜：當(dāng)同軸電纜適宜連接時(shí)，對(duì)磁場(chǎng)干擾的克制效果是十分抱負(fù)的。由于同軸電纜上信號(hào)電流與回流能夠等效為在幾何上重疊，其面積為0。為了保持同軸電纜的這個(gè)特性，在電纜的兩端，非同軸部分，要保持面積盡量小。即屏蔽層的聯(lián)線盡量短。實(shí)際的同軸電纜，由于芯線與外層不一定是完全同心，因此會(huì)有一定的等效面積，影響其克制效果。與雙絞線的狀況相似，同軸線的兩端也不能接地，否則在芯線與大地的回路中和外層與大地的回路中都會(huì)產(chǎn)生電流，由于電路非平衡性，會(huì)產(chǎn)生差模噪聲。由于天線的對(duì)稱原理，上述構(gòu)造的電纜如果接受效率低，則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。運(yùn)用這個(gè)特點(diǎn)，能夠減小電纜的磁場(chǎng)輻射。屏蔽電纜的效果與屏蔽層和電路的接地親密有關(guān)。特別是當(dāng)外界干擾為磁場(chǎng)時(shí)，不同的連接辦法效果大不相似。這組數(shù)據(jù)是在磁場(chǎng)中針對(duì)不同的接地構(gòu)造實(shí)驗(yàn)獲得的：構(gòu)造A：在信號(hào)線上套一種非磁性材料的屏蔽套，并且單點(diǎn)接地。對(duì)于磁場(chǎng)而言，當(dāng)非磁性材料的屏蔽層單點(diǎn)接地時(shí)，信號(hào)回路中的磁場(chǎng)沒有變化，因此磁場(chǎng)感應(yīng)是相似的，即這種構(gòu)造沒有屏蔽效果。這種狀況屏蔽效果定義為0dB，作為參考點(diǎn)。構(gòu)造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。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(gè)電流產(chǎn)生了一種與原磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，使信號(hào)回路中的磁場(chǎng)削弱，感應(yīng)噪聲減小。構(gòu)造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，互相抵消），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。構(gòu)造D：在雙絞線上加了一種單端接地的屏蔽層，由于單端接地的屏蔽層對(duì)磁場(chǎng)沒有屏蔽效果，因此并沒有改善雙絞線的屏蔽效能。構(gòu)造E：將屏蔽層兩端接地后，同B同樣，屏蔽層中的電流產(chǎn)生的反磁場(chǎng)削弱了原磁場(chǎng)，屏蔽效能有所提高。闡明：構(gòu)造C是一種常見的錯(cuò)誤，在實(shí)踐中要避免。構(gòu)造F：電路只在單點(diǎn)接地，運(yùn)用電纜的屏蔽層作為回流途徑，大大減小了感應(yīng)回路的面積，因此屏蔽效能大幅度提高。抱負(fù)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。構(gòu)造G：雙絞線由于含有很小的感應(yīng)回路，并且相鄰絞節(jié)中的感應(yīng)電流對(duì)消，因此體現(xiàn)出較高的磁場(chǎng)屏蔽效果。實(shí)際的克制效果比55更高，由于這里有些電場(chǎng)感應(yīng)了進(jìn)來(lái)。這從構(gòu)造H能夠看出。在構(gòu)造H中，單端接地的屏蔽層克制了電場(chǎng)感應(yīng)，是屏蔽效果提高到70。構(gòu)造H：在G的基礎(chǔ)上增加一種單端接地的屏蔽層，消除了（實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的附加）電場(chǎng)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)密度能夠進(jìn)一步提高克制效果。構(gòu)造I：將H中的屏蔽層兩端接地后，造成屏蔽效能下降。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(gè)電流在雙絞線上感應(yīng)出電流，由于電路不是平衡的，造成產(chǎn)生差模電壓。構(gòu)造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)成F的水平，由于F中的電纜是同軸電纜，含有很小的感應(yīng)回路。問題：構(gòu)造H的屏蔽效能比構(gòu)造G提高了某些，這是由于單端接地的屏蔽層消除了實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的附加額外的電場(chǎng)，為什么構(gòu)造D的屏蔽效能沒有比構(gòu)造C的屏蔽效能提高？平衡電路：平衡電路中的兩個(gè)導(dǎo)體及與其連接的全部電路對(duì)地或其它導(dǎo)體有相似的阻抗。平衡電路對(duì)電磁場(chǎng)的響應(yīng)：平衡電路中的兩個(gè)導(dǎo)體幾何尺寸相似，并且靠得很近，因此能夠認(rèn)為是處在同一種場(chǎng)強(qiáng)。由于它們相對(duì)于任何參考物體的阻抗都相等，因此它們上面感應(yīng)的電流是相似的，在導(dǎo)體兩端相對(duì)于參考點(diǎn)的電壓也是相似的。因此兩根導(dǎo)體之間的電壓為0V。若這兩個(gè)導(dǎo)體連接在電路的輸入端，為電路提供輸入信號(hào)電壓，由于它們之間沒有噪聲電壓，因另外界電磁場(chǎng)對(duì)電路的輸入沒有影響。抱負(fù)的平衡電路能夠抵抗任何強(qiáng)度的電磁場(chǎng)干擾。平衡電路性能的評(píng)定：平衡電路的平衡程度用共模克制比來(lái)描述。共?？酥票榷x為共模電壓與它所產(chǎn)生的差模電壓之比，慣用分貝來(lái)表達(dá)。CMRR＝20lg（VC/VD）dB例如，如果電路的共模克制比為60dB，則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較好。設(shè)計(jì)良好的電路，其共模克制比能夠達(dá)成60-80dB。但在高頻時(shí)，由于寄生參數(shù)的影響，電路的平衡性很難作得較好。因此，平衡電路對(duì)高頻的共模干擾也沒有較好的克制效果。注意1：在使用平衡電路時(shí)，不僅要選用平衡電路，并且，在布線時(shí)也要確保兩根線的對(duì)稱性，這樣才干確保高頻的平衡性。注意2：雙絞線是一種平衡構(gòu)造雙絞線是一種平衡構(gòu)造，因此在平衡系統(tǒng)中經(jīng)常使用雙絞線。同軸電纜則不是平衡構(gòu)造，在平衡系統(tǒng)中使用時(shí)要注意連接辦法。同軸電纜只能做一根導(dǎo)體使用，