电缆上的干扰与对策

电缆上的干扰与对策

电缆上的干扰与对策   

电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素。因此，在实际中经常发现：当将设备上的外拖电缆取下来时，设备就可以顺利通过试验，在现场中遇到电磁干扰现象时，只要将电缆拔下来，故障现象就会消失。这是因为电缆是一根高效的接收和辐射天线。另外，电缆中的导线平行传输的距离最长，因此导线之间存在较大的分部电容和互电感，这会导致导线之间发生信号的串扰。

　　（一）

　　解决电缆问题的主要方法之一是对电缆进行屏蔽，但是屏蔽电缆应该怎样端接，怎样的屏蔽电缆才是有效的，等一系列问题是普遍关心而模糊的问题。本节讨论电缆的辐射问题、电磁场对电缆的干扰问题、导线之间的信号串扰问题，以及这些问题的对策。

　　1 电缆的辐射问题

　　电缆的辐射问题是工程中最常见的问题之一，90%以上的设备（主要是含脉冲电路的设备）不能通过辐射发射试验都是由于电缆辐射造成的。电缆产生辐射的机理有两种，一种是电缆中的信号电流（差模电流）回路产生的差模辐射，另一种是电缆中的导线（包括屏蔽层）上的共模电流产生的。电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路面积是由电缆与大地（或邻近其它大型导体）形成的，因此具有较大的环路面积，会产生较强的辐射。共模电流是如何产生的往往是许多人困惑的问题。要理解这个问题，首先明确共模电压是导致共模电流的根本原因，共模电压就是电缆与大地（或邻近的其它大型导体）之间的电压。从共模电压出发，寻找导致共模电流的原因就容易了，而导致一个问题的原因一旦清楚，解决这个问题就不是很困难了。

　　电缆上的共模电流产生的原因有以下几点：差模电流泄漏导致的共模电流.即使电缆中包含了信号回线，也不能保证信号电流100%从回线返回信号源，特别是在频率较高的场合，空间各种杂散参数为信号电流提供了第三条，甚至更多的返回路径。这种共模电流虽然所占的比例很小，但是由于辐射环路面积大，辐射是是不能忽视的。不要试图通过将电路与大地“断开”（将线路板与机箱之间的地线断开，或将机箱与大地之间的地线断开）来减小共模电流，从而减小共模辐射。将电路与大地断开仅能够在低频减小共模电流，高频时寄生电容形成的通路已经阻抗很小。

　　共模电流主要由杂散电容产生。当然，如果共模辐射的问题主要发生在低频，将线路板或机箱与大地断开会有一定效果。从共模电流产生的机理可知，减小这种共模电流的有效方法是减小差模回路的阻抗，从而促使大部分信号电流从信号地线返回。一般信号线与回线靠得越近，则差模电流回路的阻抗越小。一个典型的例子就是同轴电缆，由于同轴电缆的回流电流均匀分布在外皮上，其等效电流与轴心重合，因此回路面积为零，差模阻抗接近为零，几乎100%的信号电流从同轴电缆的外皮返回信号源，共模电流几乎为零，所以共模辐射很小。

　　另一方面，由于差模电流回路的面积几乎为零，差模辐射也很小，所以同轴电缆的辐射是很小的。对于高频信号，用同轴电缆传述可以避免辐射。实际上，这与我们传统上用同轴电缆传输高频信号，以减小信号的损耗的目的具有相同的本质。因为信号的损耗小了，自然说明泄漏的成份少了，而这部分泄漏就是电缆的辐射。线路板的地线噪声导致的共模电流。信号地线就是信号的回流线，因此，地线上的两点之间必然存在电压，对于高频电路而言，这些就是高频噪声电压，它作为共模电压驱动电缆上的共模电流，导致共模辐射。线路板设计一章中提供的各种减小地线阻抗的设计方法，可以用来减小地线上的噪声，从而减小共模电压。

　　一种推荐的方法是在电缆端口设置“干净地”。所谓干净地就是这块地线上没有可以产生噪声的电路，因此地线上的局部电位几乎相等。如果机箱是金属机箱，将这块干净地与金属机箱连接起来。机箱内电磁波空间感应导致的共模电流。机箱内总是充满了电磁波的，这些电磁波会在电缆上感应出共模电压，另外，电缆端口的附近也会有一些产生高频电磁场的电路，这些电路与电缆之间存在着电容性耦合和电感性耦合，在电缆上形成共模电压。电磁感应产生的共模电压。需要注意的是，机箱内的电磁波大多由电路的差模辐射所至，在线路板设计一章，我们讨论了脉冲信号差模辐射的频谱，可知其频率范围是很宽的。这导致了共模电压的频率往往远高于我们所预期的值。

　　（二）

　　电缆长度：在满足使用要求的前提下，尽量使用短的电缆。但电缆长度往往受到设备之间连接距离的限制，不能随意缩短。而且，当电缆的长度不能减小到波长的一半以下时，减小电缆长度也没明显效果；增加共模电流环路的阻抗：目的是减小共模电流，因为在共模电压一定的情况下，增加共模电流路径的阻抗可以减小共模电流；减小共模电压：目的是减小共模电流，当共模回路阻抗一定时，减小共模电压就可以减小共模电流；低通滤波器滤波：目的是减少高频共模电流成份，这些高频共模电流的辐射效率很高；电缆屏蔽：目的是为共模电流提供一条环路面积较小的路径。下面介绍在实际工程中应用上述概念的方法。

　　1 增加共模电流回路的阻抗

　　设备组装完成后，设备电缆上产生的共模电压也就一定了。这时，减小电缆上的共模电流的方法就是增加共模电流回路的阻抗。但是怎样增加共模回路的阻抗是许多工程师困惑的问题。他们往往试图通过断开线路板与机箱之间的连接，或者机箱与安全地之间的连接，来增加共模回路的阻抗，结果往往令人失望。因为这些方法仅对低频有效，而低频共模电流并不是辐射的主要原因。

　　实用而有效的方法是在电缆上串联共模扼流圈，共模扼流圈能够对共模电流形成较大的阻抗，而对差模信号没有影响，因此使用上很简单，并且共模扼流圈不需要接地，可以直接加到电缆上。将整束电缆穿过一个铁氧体磁环就构成了一个共模扼流圈，根据需要，也可以将电缆在磁环上绕几匝。为了工程方便，很多厂家提供分体式的磁环，这种磁环可以很容易地卡在电缆上。 电缆上套了铁氧体磁环后，辐射强度的改善量取决于原来共模电流回路的阻抗，从共模辐射的公式容易推导出下面的结论 （推导中，应用共模电压不变的条件）：

　　共模辐射改善 ＝ 20lg（E1 / E2）＝ 20lg（ICM1 / ICM2）

　　　　　　　　 ＝ 20lg（ZCM2 / ZCM1）

　　　　　　　　 ＝ 20lg （1 Z/ZCM1）

　　式中：

　　E1＝加铁氧体前的辐射强度，

　　E2＝加铁氧体后的辐射强度，

　　ICM1＝加铁氧体前的共模电流，

　　ICM2＝加铁氧体后的共模电流，

　　ZCM2＝加铁氧体后的共模环路阻抗，

　　ZCM1＝加铁氧体前的共模环路阻抗，

　　Z＝共模扼流圈的阻抗。

　　例如，如果没加共模扼流圈时的共模电流环路阻抗为100W，共模扼流圈的阻抗为1000 W，则共模辐射改善为20dB，而如果原来的共模电流环路阻抗为1000W，则改善量仅为6dB。 为了获得预期的干扰抑制效果，在使用铁氧体磁环时，需要注意以下问题：

　　a. 铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同材料成分和磁导率的铁氧体材料。镍锌铁氧体材料的高频特性由于锰锌铁氧体材料，并且铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，而高频的阻抗越小。这是由于导磁率高的铁氧体材料电导率较高，当导体穿过时，形成电缆与磁环之间的寄生电容较大。

　　b.铁氧体磁环的尺寸：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在磁环内径包紧电缆的前提下，尽量使用体积较大的磁环。

　　c.共模扼流圈的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于匝间寄生电容增加，高频的阻抗会减小。盲目增加匝数来增加衰减量是一个常见的错误。当需要抑制的干扰频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。

　　例：某设备有两个超标辐射频率点，一个是为40MHz，另一个为900MHz。经检查，确定是电缆的共模辐射所致。在电缆上套一个磁环（1/2匝），900MHz的干扰明显减小，不再超标，但是40MHz频率仍然超标。将电缆在磁环上绕3匝，40MHz干扰减小，不再超标，但900MHz超标。为了解决这个问题，使用了两个铁氧体磁环，一个1/2匝，另一个3匝。

　　d.电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上的铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为电缆与磁环之间的寄生电容增加的缘故。

　　e.铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源或敏感源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁环要尽量靠近机箱的电缆进出口。 由于铁氧体磁环的效果取决于原来共模环路的阻抗，原来回路的阻抗越低，则磁环的效果越明显。因此当原来的电缆两端安装了共模滤波电容时，由于其共模阻抗很低，磁环的效果更明显。

（三）电磁场对电缆的影响

　　电缆处于电磁场中时，电缆上会感应出噪声电压。与电缆辐射的情况相对应，电磁场在电缆上感应出的电压也分为共模和差模两种。共模电压是电磁场在电缆与大地之间的回路产生的，差模电压是电磁场在信号线与信号地线形成的回路中产生的。当电路是非平衡电路时，共模电流会转换成差模电压，对电路形成干扰。由于信号线与信号地线形成的回路面积很小，因此噪声电压仍以共模为主。

　　1. 电磁场在电缆上感应出的电压

　　电缆很靠近地面时：电场分量垂直于地面，磁场分量垂直于导线-地面回路时，感应最强。

　　电缆很远离地面时：电场分量平行于地面，磁场分量垂直于导线-地面回路时，感应最强。

　　电磁场在导线中感应出的电压是共模形式的，负载上的电压是以系统中的公共导体或大地为参考点的，一般以系统中参考地线面为参考点。对于多芯电缆，这意味着电缆中的所有导体都暴露在同一个场中，它们上面所感应的电压取决于每根导体与参考点之间的阻抗。

　　2.电缆对低频磁场的抑制