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电缆的干扰问题与对策

放大字体  缩小字体 发布日期:2009-06-18  来源:互联网  作者:manage  浏览次数:872
核心提示:电缆是电磁兼容设计中的关键环节,大部分电磁干扰敏感问题、电磁干扰发射问题、信号串扰问题是电缆产生的。电缆之所以容易产生各种电磁干扰问题,主要有以下几个原因。  (1)电缆本身是一根高效的接收天线,能够接收到空间的电磁干扰,将干扰能量传进设备电路,造成干扰
 
 
电缆是电磁兼容设计中的关键环节,大部分电磁干扰敏感问题、电磁干扰发射问题、信号串扰问题是电缆产生的。电缆之所以容易产生各种电磁干扰问题,主要有以下几个原因。
  (1)电缆本身是一根高效的接收天线,能够接收到空间的电磁干扰,将干扰能量传进设备电路,造成干扰;
  (2)电缆是一根高效的辐射天线,能够将电路中的干扰辐射到空间,造成辐射发射超标;
  (3)电缆中的导线相互平行,并且靠得很近,导线之间具有很大的寄生电容和互感,这些电容和互感是导致串扰的根本原因;
  (4)电缆连接的设备接地电位不同,电缆屏蔽层引进地线干扰。
  前三个情况是很直观的,第四个情况如图1所示。
  在图1中,两个设备的地线电位不同,因此产生了电位差,在这个电位差的驱动下,会在电缆屏蔽层中产生电流。由于屏蔽层与内部导线之间有电容和互感,因此屏蔽层上的电流可以在内导线上感应出噪声电压。如果两根信号线是平衡的,噪声电压相同,在输入电路上没有噪声电压。但是电路通常都不是平衡的,会在两根导线上产生不同的电压,这样就产生了噪声电压。这种地线干扰是大系统中的常见现象,解决方法是尽量使地线电位相同,或者将电缆屏蔽层的一端与地线断开,消除电缆屏蔽层中的电流。

导线之间的串扰与对策
  导线之间发生串扰时,一根导线上的信号耦合到了另一根信号线上,对与这根信号线连接的电路造成干扰。这种现象经常发生在平行的导线之间。在设计电缆时,要特别注意这种现象。尤其是当导线上传输的是低电平模拟信号时,临近导线对其产生的串扰是造成系统性能下降的主要原因。因此,在系统设计中,信号线的分组是必须进行的设计项目,通过信号线分组,使可能发生的串扰最小。
  当发现电路中存在干扰时,首先要检查的干扰源应该是串扰,看看这种干扰信号是否从附近的电路中串扰产生的,判断方法有以下几个。
  (1)如果可能,将可能是干扰源的临近导线上的传输信号暂时去掉,如果干扰消失,就可以确定干扰是由临近信号串扰产生的;
  (2)降低潜在干扰源信号的频率,比如可以在潜在干扰信号的输出端对地并联一只电容,如果干扰消失或减小,可以确定干扰时从这路信号上串扰过来的;
  (3)用双踪示波器同时观测干扰信号和潜在的干扰源信号,如果干扰信号近似是干扰源信号的微分,可以确定干扰源;
  (4)改变受干扰导线与干扰源导线之间的距离,如果干扰信号随着两者之间的距离增加而减小,可以确定两根导线之间有串扰。

串扰电压的估算
  对于两根平行的导线,当电缆的长度与波长相比很短(小于1/20波长)时,可以用集总参数模型来描述电容耦合,如图2所示。这样就可以用电路分析的方法来计算串扰电压。计算的结果如下。
  频率很低时,R远小于C12和C2G构成的阻抗,即R<<1/[jω(C12+C2G)],在这个条件下,串扰电压为:
  VN=jωRC12V1
  从公式中可以看出,电容耦合的强度直接与频率、被干扰导体对地电阻、两导体之间的电容成正比。
  频率很高时,R远大于C12和C2G构成的阻抗,即:R>>1/[jω(C12+C2G)],在这个条件下,串扰电压为:
  VN=V1[C12/(C12+C2G)]
  从公式中可以看出,电容耦合的强度与频率和电路的阻抗都无关,而仅与两个导体之间的电容和接收导体与地之间的电容有关,这些参数都与导线的结构直接相关。
  导线之间的互感性串扰如图3所示,当回路1中有电流I流过时,不仅会在回路1中产生磁通Φ,而且会在电路2中产生磁通Φ12,回路2中的磁通量Φ12与电流I1之间通过一个系数M来确定,这个M就是互感。
  M=Φ12/I1根据电磁感应定率,当一个闭合回路的磁场发生变化时,就会在回路中产生感应电压。因此,Φ12在回路2中产生了感应电压,电压值为:
  VN=dΦ12/dt=M.dI1/dt
这说明回路1中的能量耦合进了回路2形成干扰电压,并且这个电压是回路1中电流的微分。

消除串扰的方法
  从上面的串扰电压公式中可以看出哪些参数对串扰电压有影响,在实际工程中可以采取下面一些具体措施来控制这些参数。

  减小电容性串扰的方法如下。
  (1)将受干扰导线屏蔽起来,并将屏蔽层接到受干扰电路的公共地上,就可以减小电容性串扰,屏蔽层应尽量完整(使芯线暴露出来的部分尽量短),当干扰电压的频率较高(λ<20L)时,需要将屏蔽层多点接地;
  (2)增加导线之间的距离(减小C12);
  (3)将受干扰导线靠近参考地(增加C2G);
  (4)可能时,在受干扰电路的输入端安装对地的电容;

  减小电感性串扰方法如下。
  (1)增加两个回路之间的距离,第二个回路中的磁通量自然会减少;
  (2)使回路1的信号线与回线尽量靠近(从图3中看出,回路1的信号线与回线在回路2中产生的磁通方向相反,因此相互抵消);
  (3)减小回路2的面积;
  (4)调整两个回路的相对位置、角度关系。

电缆辐射与外界干扰的对策
  设备上的电缆是导致设备产生超标辐射的主要因素之一,无论在做EMC试验还是在现实环境中,往往会发现,当设备上没有电缆时,电磁干扰问题要好得多,这是因为电缆是高效率的天线。对于天线而言,接收特性和辐射特性是对称的,一根接收效率高的天线,辐射效率也高。因此下面仅讨论怎样减小电缆的辐射问题,当对电缆采取了这些措施以后,电缆接收外界干扰的问题也就同时解决了。
  电缆产生辐射机理如图4所示,主要有三种机理。
  (1)信号线与回线构成的电流回路产生的辐射(称为差模辐射);
  (2)信号线流到负载的电流并没有全部通过地线流回,一部分通过其他路径(例如大地)流回,形成了一个不可预见的电流环路,产生辐射(称为共模辐射);
  (3)由于信号线以及信号地线与大地或其他参考物体之间有电位差,形成了电流回路,产生辐射(共模辐射);
  (4)机箱内其他电路辐射的电磁能量感应到电缆上,产生了电压和电流,导致电缆辐射(共模辐射)。
  一般,电缆中信号线与回线之间的环路电流的不是产生辐射的主要原因,信号线和信号回线之间的距离很近,由于它们上面流过的电流方向相反,因此它们在空间的辐射是相互抵消的。后三种共模辐射才是电缆辐射的主要原因。

减小电缆辐射的方法
  (1)控制电缆长度,在满足使用要求的前提下,使用尽量短的电缆,但是当电缆的长度不能减小到最高辐射频率波长的一半以下时,减小电缆长度没有明显效果;
  (2)在电缆上使用适当的共模扼流圈,最简单的方法是套一个铁氧体磁环;
  (3)布线路板时,使周期性信号远离I/O接口电路,并将I/O接口电路部分的地线与线路板上的其他地线隔离开,仅在一点连接;
  (4)I/O接口电路部分的地线与金属机箱之间做射频搭接;
  (5)对机箱内的I/O电缆(从线路板到连接器的部分)进行屏蔽;
  (6)使机箱内的I/O电缆(从线路板到连接器的部分)长度尽量短;
  (7)使用共模低通滤波器,最好是安装面板上的形式(例如滤波连接器);
  (8)使用屏蔽电缆,但要注意电缆屏蔽层的端接方法和端接位置,端接得不好可能会增加电缆的辐射;
  (9)使用平衡电路。

 
 
 
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