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电缆在系统中的干扰与解决对策

http://www.electric.hc360.com2006年05月08日08:37 来源:中国机电企业网T|T

    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。

    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1000W,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

    低频磁场干扰在实际中是很常见的,例如电源线的附近、马达或变压器的附近等。当电缆穿过这种磁场时,电缆所连接的电路中就会产生干扰。这种干扰是由于导体回路面积所包围的磁通量发生变化所致。根据电磁感应定律,导体上感应的电压幅度与它所包围的磁通变化率成正比。如果回路面积所含的磁通量为j,则:

    VN=(dj/dt)

    如果假设回路面积A中所包围的磁场是均匀的,也即,回路中各点的磁通密度B是相等的,则j=AB,则:

    VN=A(dB/dt)

    如果磁场按正弦规律变化,且表示成:

    B=B0e-jwt

    则:VN=jwAB

责任编辑:杨涵

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