电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素

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