电缆EMC设计理论基础

部分屏蔽对电容耦合的效果
C1G C12
V1
C1s CsG
C12
C2S
V1
VN
C1s CSG C2G VN
R 很大时：VN = V1 [ C12 / ( C12 + C2G + C2S ) ] R 很小时：VN = jRC12
互电感定义与计算
回路1
回路2
ab a
定义： 自感L ＝ 1 / I1 ， 互感 M ＝ 12 / I1 1 是电流I1在回路1中产生的磁通， 12 是电流I1在回路2中产生的磁通
• 信号线与回线所形成的面积很小，所 包围磁通量很少。
电磁场在电缆上的感应电压
dBV 0
1V/m场强产生的电压
-10
A
-20
B
C -30
D
-40
E
-50 10kHz 100kHz 1MHz
高度= 0.5m 长度：A = 100m
B = 30m C = 10m D = 3m E = 1m
10MHz 100MHz 1GHz
CMRR
f
f
非平衡转换为平衡
~
屏蔽电缆的评估
CM
CM
接收环路
I
屏蔽层与芯线之间的互感
屏蔽低频电场
0V
电缆长度 < /20，单点接地
电缆长度 > /20，多点接地
对付低频磁场的有效方法
～
～ 理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因 此电缆上的回路面积为0，整个回路面积仅有两端的部分
屏蔽电缆减小磁场影响
VN = V12 + VS2
V12 = j M12I1
VS = j M1SI1
因为：M12 = M1S
所以：VS = j M12I1
V12
所以：VS2 = j M12I1 [ j / ( j+RS / LS)]
VN = V12 - V12[ j / ( j+RS / LS)] = V12 [ (RS / LS) / ( j+RS / LS)]
VS
VS
VS
只有两端接地的屏蔽层才能 屏蔽磁场
地环路的危害
100
(A)
1M 0
100
100
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(B)
1M 27
每米18节
100
(C)
1M 13 100
13
(D)
1M
28
(E)
1M
消除地环路的效果
100
(F)
1M 80
每米18节
100
(I)
100
1M 55
(G)
100
(H)
1M 70
100
(J)
63
1M
77
1M
C与D的实验数据说明
双绞线
单端接地 屏蔽层
设：总电磁场为1000，其中磁场为999，电场为1， 双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/230) 13 dB 单端接地的屏蔽层的效果：20lg(230/229) 0 dB
G与H的实验数据说明
双绞线
单端接地屏蔽层
设：总电磁场为1000，其中磁场为999，电场为1， 双绞线的磁场抑制效果为：20lg(1000/1.3) 58 dB 单端接地的屏蔽层的效果：20lg(1.3/0.3) 13 dB
导线之间两种串扰机理
R0
M
C
RL
IL
R2G
IC
R2L
IC
IL
耦合方式的粗略判断
ZSZL < 3002：
磁场耦合为主
ZSZL > 10002：
电场耦合为主
3002 < ZSZL < 10002：取决于几何结构和频率
电容耦合模型
C12
C1G
C2G
V1
R
C12
V1
C1G
C2G
R VN
VN ＝ j [ C12 / ( C12 + C2G)]
求解这项
VS2项求解
++
+
+
+
+
+
+ +
导体2
屏蔽层
LS = / IS
MS2 = / IS
因此：LS = MS2
VS2 = j MS2 I S = j MS2 ( V S / ZS) = j LS [ V S / ( jLS+RS )] = VS [ j / ( j+RS/LS)]
屏蔽后的耦合电压
M = （ / 2 ）ln[b2/（b2- a2）]
减小M的方法：回路1用双绞线或同轴线，减小回路2的面积，增加两 个回路的距离
电感耦合
I1
V1
M VN
R
I1
R1 V1
R2
VN
R2
R
R1
VN ＝ d12 / dt = d(MI1)/dt = M dI1 / dt
电感耦合与电容耦合的判别
电容耦合
V1
j + 1 / R ( C12 + C2G)]
耦合公式化简
j [ C12 / ( C12 + C2G)]
VN ＝ j + 1 / R ( C12 + C2G)] V1
R << 1 / [ j ( C12 + C2G )]
R >> 1 / [ j ( C12 + C2G )]
VN = j R C12 V1
电缆的EMC设计理论基础
• 场在导线中感应的噪声 • 电缆之间的串扰
电磁场在导体上感应的电压
V = E•d
V = d/dt
V
V
E
d
处于电磁场中的电缆
S h
信号线和回流线在一根电缆中
共模电流
不平衡
差模电压
用地线面作回流线 直接产生差模电压
电磁场在电缆中的感应噪声以 共模为主
• 信号线与回线几乎处于同一电场环境 中，差模电压很小。
10GHz
电磁场干扰的对策
• 平衡电路 • 共模滤波 • 电缆屏蔽
平衡电路的抗干扰特性
电磁场
V1
VD
I1
V2
I2
VC
平衡性好坏用共模抑制比表示：
CMRR = 20lg ( VC / VD )
高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低
提高共模干扰抑制的方法
屏蔽电缆
平衡电路
共模扼流圈
平衡电路
CMRR
V
R1
IN = j C12V1
R2
V
R1
～ 电感耦合
VN = j M12 I1 R2
非磁性屏蔽对电感耦合的影响
M1S
I1 M12
关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变
双端接地屏蔽层的分析
导体1
~
M12
屏蔽体
导体2
+-
V12
I1
M1S
IS MS2
-+ VS2
这就是屏 蔽的效果
V12 = j M12 I1 VS2 = j MS2 IS VN = V12 + VS2
VN = V1 [ C12 / ( C12 + C2G ) ]
电容耦合与频率的关系
VN = j RC12V1
耦
VN =
C12V1
(C12 + C2G)
合
电
压
1 / R (C12 + C2G)
频率
屏蔽对电容耦合的影响－全屏蔽
C2S
C1s
C1s
V1
C1G
C1G
CSG Vs
V1
CsG
Vs
屏蔽层不接地：VN = VS =V1 [ C1S / ( C1S + CSG ) ]，与无屏蔽相同 屏蔽层接地时：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果