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電纜在系統中的干擾與解決對策
更新時間:2020-05-23 發布:www.561867.tw

電纜是系統中致使電磁兼容問題的最主要身分。是以,在現實中經常發現:當將裝備上的外拖電纜取下來時,裝備就能夠順遂經由過程實驗,在現場中遇到電磁干擾現象時,只要將電纜拔下來,故障現象就會消失。這是由于電纜是一根高效的接收和輻射天線。另外,電纜中的導線平行傳輸的距離最長,是以導線之間存在較年夜的分部電容和互電感,這會致使導線之間發生旌旗燈號的串擾。解決電纜問題的主要方式之一是對電纜進行屏障,可是屏障電纜應當怎樣端接,怎樣的屏障電纜才是有用的,等一系列問題是普遍關心而模糊的問題。本節計議電纜的輻射問題、電磁場對電纜的干擾問題、導線之間的旌旗燈號串擾問題,和這些問題的對策。1電纜的輻射問題電纜的輻射問題是工程中最多見的問題之一,90以上的裝備(主要是含脈沖電路的裝備)不能經由過程輻射發射實驗都是由于電纜輻射釀成的。電纜發生輻射的機理有兩種,一種是電纜中的旌旗燈號電流(差模電流)回路發生的差模輻射,另外一種是電纜中的導線(包括屏障層)上的共模電流發生的。電纜的輻射主要來自共模輻射。共模輻射是由共模電流發生的,共模電流的環路面積是由電纜與年夜地(或臨近其它年夜型導體)形成的,是以具有較年夜的環路面積,會發生較強的輻射。共模電流是若何發生的往往是許多人困惑的問題。要理解這個問題,首先明確共模電壓是致使共模電流的基本緣由,共模電壓就是電纜與年夜地(或臨近的其它年夜型導體)之間的電壓。從共模電壓動身,尋覓致使共模電流的緣由就容易了,而致使一個問題的緣由一旦清晰,解決這個問題就不是很堅苦了。電纜上的共模電流發生的緣由有以下幾點:差模電流泄漏致使的共模電流.即使電纜中包括了旌旗燈號回線,也不能保證旌旗燈號電流100從回線返回旌旗燈號源,出格是在頻率較高的場所,空間各類雜散參數為旌旗燈號電流提供了第三條,甚至更多的返回路徑。這類共模電流雖然所占的比例很小,可是由于輻射環路面積年夜,輻射是是不能輕忽的。不要試圖經由過程將電路與年夜地“斷開”(將線路板與機箱之間的地線斷開,或將機箱與年夜地之間的地線斷開)來減小共模電流,從而減小共模輻射。將電路與年夜地斷開僅能夠在低頻減小共模電流,高頻時寄生電容形成的通路已阻抗很小。共模電流主要由雜散電容發生。固然,若是共模輻射的問題主要發生在低頻,將線路板或機箱與年夜地斷開會有一定效果。從共模電流發生的機理可知,減小這類共模電流的有用方式是減小差;芈返淖杩,從而促使年夜部門旌旗燈號電流從旌旗燈號地線返回。一般旌旗燈號線與回線靠得越近,則差模電流回路的阻抗越小。一個典型的例子就是同軸電纜,由于同軸電纜的回流電流平均散布在外皮上,其等效電流與軸心重合,是以回路面積為零,差模阻抗接近為零,幾近100的旌旗燈號電流從同軸電纜的外皮返回旌旗燈號源,共模電流幾近為零,所以共模輻射很小。另外一方面,由于差模電流回路的面積幾近為零,差模輻射也很小,所以同軸電纜的輻射是很小的。對于高頻旌旗燈號,用同軸電纜傳述可以免輻射,F實上,這與我們傳統上用同軸電纜傳輸高頻旌旗燈號,以減小旌旗燈號的消耗的目的具有不異的本質。由于旌旗燈號的消耗小了,自然說明泄漏的成份少了,而這部門泄漏就是電纜的輻射。線路板的地線噪聲致使的共模電流。旌旗燈號地線就是旌旗燈號的回流線,是以,地線上的兩點之間必然存在電壓,對于高頻電路而言,這些就是高頻噪聲電壓,它作為共模電壓驅動電纜上的共模電流,致使共模輻射。線路板設計一章中提供的各類減小地線阻抗的設計方式,可以用來減小地線上的噪聲,從而減小共模電壓。一種推薦的方式是在電纜端口設置“清潔地”。所謂清潔地就是這塊地線上沒有可以發生噪聲的電路,是以地線上的局部電位幾近相等。若是機箱是金屬機箱,將這塊清潔地與金屬機箱毗連起來。機箱內電磁波空間感應致使的共模電流。機箱內總是布滿了電磁波的,這些電磁波會在電纜上感應出共模電壓,另外,電纜端口的四周也會有一些發生高頻電磁場的電路,這些電路與電纜之間存在著電容性耦合和電感性耦合,在電纜上形成共模電壓。電磁感應發生的共模電壓。需要注重的是,機箱內的電磁波年夜多由電路的差模輻射所至,在線路板設計一章,我們計議了脈沖旌旗燈號差模輻射的頻譜,可知其頻率范圍是很寬的。這致使了共模電壓的頻率往往遠高于我們所預期的值。(二)電纜長度:在知足使用要求的條件下,盡量使用短的電纜。但電纜長度往往遭到裝備之間毗連距離的限制,不能隨意縮短。而且,當電纜的長度不能減小到波長的一半以下時,減小電纜長度也沒較著效果;增加共模電流環路的阻抗:目的是減小共模電流,由于在共模電壓一定的情況下,增加共模電流路徑的阻抗可以減小共模電流;減小共模電壓:目的是減小共模電流,當共;芈纷杩挂话磿r,減小共模電壓就能夠減小共模電流;低通濾波器濾波:目的是削減高頻共模電流成份,這些高頻共模電流的輻射效率很高;電纜屏障:目的是為共模電流提供一條環路面積較小的路徑。下面介紹在現實工程中運用上述概念的方式。1增加共模電流回路的阻抗裝備組裝完成后,裝備電纜上發生的共模電壓也就一定了。這時候,減小電纜上的共模電流的方式就是增加共模電流回路的阻抗?墒窃鯓釉黾庸材;芈返淖杩故窃S多工程師困惑的問題。他們往往試圖經由過程斷開線路板與機箱之間的毗連,或機箱與平安地之間的毗連,來增加共;芈返淖杩,成效往往使人失看。由于這些方式僅對低頻有用,而低頻共模電流其實不是輻射的主要緣由。實用而有用的方式是在電纜上串聯共模扼流圈,共模扼流圈能夠對共模電流形成較年夜的阻抗,而對差模旌旗燈號沒有影響,是以使用上很簡單,而且共模扼流圈不需要接地,可以直接加到電纜上。將整束電纜穿過一個鐵氧體磁環就組成了一個共模扼流圈,憑據需要,也能夠將電纜在磁環上繞幾匝。為了工程利便,很多廠家提供分體式的磁環,這類磁環可以很容易地卡在電纜上。電纜上套了鐵氧體磁環后,輻射強度的改善量取決于原來共模電流回路的阻抗,從共模輻射的公式容易推導出下面的結論(推導中,運用共模電壓不變的條件):共模輻射改善=20lg(E1/E2)=20lg(ICM1/ICM2)=20lg(ZCM2/ZCM1)=20lg(1 Z/ZCM1)式中:E1=加鐵氧體前的輻射強度,E2=加鐵氧體后的輻射強度,ICM1=加鐵氧體前的共模電流,ICM2=加鐵氧體后的共模電流,ZCM2=加鐵氧體后的共模環路阻抗,ZCM1=加鐵氧體前的共模環路阻抗,Z=共模扼流圈的阻抗。例如,若是沒加共模扼流圈時的共模電流環路阻抗為100W,共模扼流圈的阻抗為1000W,則共模輻射改善為20dB,而若是原來的共模電流環路阻抗為1000W,則改善量僅為6dB。為了獲得預期的干擾抑制效果,在使用鐵氧體磁環時,需要注重以下問題:a.鐵氧體材料的選擇:憑據要抑制干擾的頻率分歧,選擇分歧材料成份和磁導率的鐵氧體材料。鎳鋅鐵氧體材料的高頻特征由于錳鋅鐵氧體材料,而且鐵氧體材料的磁導率越高,低頻的阻抗越年夜,而高頻的阻抗越小。這是由于導磁率高的鐵氧體材料電導率較高,當導體穿過時,形成電纜與磁環之間的寄生電容較年夜。b.鐵氧體磁環的尺寸:磁環的內外徑差越年夜,軸向越長,阻抗越年夜。但內徑一定要包緊導線。是以,要獲得年夜的衰減,在磁環內徑包緊電纜的條件下,盡量使用體積較年夜的磁環。c.共模扼流圈的匝數:增加穿過磁環的匝數可以增加低頻的阻抗,可是由于匝間寄生電容增加,高頻的阻抗會減小。盲目增加匝數來增加衰減量是一個常見的毛病。當需要抑制的干擾頻帶較寬時,可在兩個磁環上繞分歧的匝數。例:某裝備有兩個超標輻射頻率點,一個是為40MHz,另外一個為900MHz。經檢查,肯定是電纜的共模輻射而至。在電纜上套一個磁環(1/2匝),900MHz的干擾較著減小,不再超標,可是40MHz頻率依然超標。將電纜在磁環上繞3匝,40MHz干擾減小,不再超標,但900MHz超標。為領會決這個問題,使用了兩個鐵氧體磁環,一個1/2匝,另外一個3匝。d.電纜上鐵氧體磁環的個數:增加電纜上的鐵氧體磁環的個數,可以增加低頻的阻抗,但高頻的阻抗會減小。這是由于電纜與磁環之間的寄生電容增加的緣故。e.鐵氧體磁環的安裝位置:一般盡量靠近干擾源或敏感源。對于屏障機箱上的電纜,磁環要盡量靠近機箱的電纜進出口。由于鐵氧體磁環的效果取決于原來共模環路的阻抗,原往返路的阻抗越低,則磁環的效果越較著。是以當原來的電纜兩頭安裝了共模濾波電容時,由于其共模阻抗很低,磁環的效果更較著。(三)電磁場對電纜的影響電纜處于電磁場中時,電纜上會感應出噪聲電壓。與電纜輻射的情況相對應,電磁場在電纜上感應出的電壓也分為共模和差模兩種。共模電壓是電磁場在電纜與年夜地之間的回路發生的,差模電壓是電磁場在旌旗燈號線與旌旗燈號地線形成的回路中發生的。當電路長短平衡電路時,共模電流會轉換成差模電壓,對電路形成干擾。由于旌旗燈號線與旌旗燈號地線形成的回路面積很小,是以噪聲電壓仍以共模為主。1.電磁場在電纜上感應出的電壓電纜很靠近地面時:電場份量垂直于地面,磁場份量垂直于導線-地面回路時,感應最強。電纜很遠離地面時:電場份量平行于地面,磁場份量垂直于導線-地面回路時,感應最強。電磁場在導線中感應出的電壓是共模形式的,負載上的電壓是以系統中的公共導體或年夜地為參考點的,一般以系統中參考地線面為參考點。對于多芯電纜,這意味著電纜中的所有導體都表露在統一個場中,它們上面所感應的電壓取決于每根導體與參考點之間的阻抗。2.電纜對低頻磁場的抑制低頻磁場干擾在現實中是很常見的,例如電源線的四周、馬達或變壓器的四周等。當電纜穿過這類磁場時,電纜所毗連的電路中就會發生干擾。這類干擾是由于導體回路面積所包圍的磁通量發生變化而至。憑據電磁感應定律,導體上感應的電壓幅度與它所包圍的磁通變化率成正比。若是回路面積所含的磁通量為j,則:VN=(dj/dt)若是假設回路面積A中所包圍的磁場是平均的,也即,回路中各點的磁通密度B是相等的,則j=AB,則:VN=A(dB/dt)若是磁場按正弦紀律變化,且暗示成:B=B0e-jwt則:VN=jwAB從公式中,可以看出,感應電壓與磁場的頻率、磁通密度、回路面積等成正比。由于外界干擾場的頻率是不受控的,是以為了減小感應電壓,應盡量減小回路中所包圍的磁通密度和回路的面積。減小磁通密度只能經由過程增加電纜與磁場輻射源之間的距離來實現。減小回路面積可以經由過程使用適當的電纜和接地方式來實現?朔艌龅母蓴_有用方式是減小回路的面積,也就是使旌旗燈號線與其回線盡量靠近。雙絞線和同軸線在減小磁場干擾方面有很好的效果。雙絞線:雙絞線能夠有用地抑制磁場干擾,這不僅是由于雙絞線的兩根線之間具有很小的回路面積,而且由于雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應出的電流具有相反的標的目的,是以相互抵銷。雙絞線的絞節越密,則效果越較著?墒,若是電路的兩頭接地,則不再具有上述特征。由于這時候每根導線與地平面之間組成了一個面積很年夜的回路,在這個回路中會發生感應電流。由于兩根導線是不服衡的,是以會發生差模電壓。同軸電纜:當同軸電纜適當毗連時,對磁場干擾的抑制效果是十分理想的。由于同軸電纜上旌旗燈號電流與回流可以等效為在幾何上重合,其面積為0。為了連結同軸電纜的這個特征,在電纜的兩頭,非同軸部門,要連結面積盡量小。即屏障層的聯線盡量短,F實的同軸電纜,由于芯線與外層紛歧定是完全齊心,是以會有一定的等效面積,影響其抑制效果。與雙絞線的情況相似,同軸線的兩頭也不能接地,否則在芯線與年夜地的回路中和外層與年夜地的回路中城市發生電流,由于電路非平衡性,會發生差模噪聲。由于天線的對稱原理,上述結構的電纜若是接收效率低,則它們的輻射效率也低,是以,雙絞線電纜和同軸電纜的輻射也較小。哄騙這個特點,可以減小電纜的磁場輻射。屏障電纜的效果與屏障層和電路的接地緊密親密相關。出格是當外界干擾為磁場時,分歧的毗連方式效果年夜不不異。這組數據是在磁場中針對分歧的接地結構實驗獲得的:結構A:在旌旗燈號線上套一個非磁性材料的屏障套,而且單點接地。對于磁場而言,當非磁性材料的屏障層單點接地時,旌旗燈號回路中的磁場沒有變化,是以磁場感應是不異的,即這類結構沒有屏障效果。這類情況屏障效果界說為0dB,作為參考點。結構B:將A中的屏障層兩頭接地。這時候就能夠提供一定的屏障效能了。由于由屏障層與地平面組成的環路中也感應了電流,這個電流發生了一個與原磁場相反的磁場,使旌旗燈號回路中的磁場削弱,感應噪聲減小。結構C:雙絞線本應提供較好的屏障效果(由于相鄰絞節中感應的電流標的目的相反,相互抵消),但由于電路兩頭接地,現實的感應回路其實不小,是以效果較差。結構D:在雙絞線上加了一個單端接地的屏障層,由于單端接地的屏障層對磁場沒有屏障效果,是以并沒有改善雙絞線的屏障效能。結構E:將屏障層兩頭接地后,同B一樣,屏障層中的電流發生的反磁場削弱了原磁場,屏障效能有所提高。說明:結構C是一種常見的毛病,在實踐中要避免。結構F:電路只在單點接地,哄騙電纜的屏障層作為回流路徑,年夜年夜減小了感應回路的面積,是以屏障效能年夜幅度提高。理想的同軸電纜回路面積為0,不會感應上任何噪聲電壓,F實同軸電纜的屏障效果取決于芯線與外層軸心的誤差。結構G:雙絞線由于具有很小的感應回路,而且相鄰絞節中的感應電流對消,是以浮現出較高的磁場屏障效果,F實的抑制效果比55更高,由于這里有些電場感應了進來。這從結構H可以看出。在結構H中,單端接地的屏障層抑制了電場感應,是屏障效果提高到70。結構H:在G的根蒂根基上增加一個單端接地的屏障層,消除(實驗裝配發生的附加)電場的影響。這里的屏障效果沒有F高,是由于雙絞線的回路面積沒有同軸電纜的小。增加絞節密度可以進一步提高抑制效果。結構I:將H中的屏障層兩頭接地后,致使屏障效能下降。這是由于屏障層兩頭接地后,在屏障層上發生了感應電流,這個電流在雙絞線上感應出電流,由于電路不是平衡的,致使發生差模電壓。結構J:將H中的屏障層非接地的一端接到電路公共端,進一步提高了屏障效能,但沒有到達F的水平,由于F中的電纜是同軸電纜,具有很小的感應回路。問題:結構H的屏障效能比結構G提高了一些,這是由于單端接地的屏障層消除實驗裝配發生的附加額外的電場,為什么結構D的屏障效能沒有比結構C的屏障效能提高?平衡電路:平衡電路中的兩個導體及與其毗連的所有電路對地或其它導體有不異的阻抗。平衡電路對電磁場的響應:平衡電路中的兩個導體幾何尺寸不異,而且靠得很近,是以可以認為是處于統一個場強。由于它們相對任何參照物體的阻抗都相等,是以它們上面感應的電流是不異的,在導體兩頭相對參考點的電壓也是不異的。是以兩根導體之間的電壓為0V。若這兩個導體毗連在電路的輸進端,為電路提供輸進旌旗燈號電壓,由于它們之間沒有噪聲電壓,是以外界電磁場對電路的輸進沒有影響。理想的平衡電路能夠抵當任何強度的電磁場干擾。平衡電路性能的評估:平衡電路的平衡水平用共模抑制比來描寫。共模抑制比界說為共模電壓與它所發生的差模電壓之比,經常使用分貝來暗示。CMRR=20lg(VC/VD)dB例如,若是電路的共模抑制比為60dB,則1000V的共模電壓在電路的輸進端只能發生1V的差模電壓。該電路的抗雷電等發生的共模干擾的性能很好。設計優秀的電路,其共模抑制比可以到達60-80dB。但在高頻時,由于寄生參數的影響,電路的平衡性很難作得很好。所以,平衡電路對高頻的共模干擾也沒有很好的抑制效果。注重1:在使用平衡電路時,不僅要選用平衡電路,而且,在布線時也要保證兩根線的對稱性,這樣才能保證高頻的平衡性。注重2:雙絞線是一種平衡結構雙絞線是一種平衡結構,是以在平衡系統中經常使用雙絞線。同軸電纜則不是平衡結構,在平衡系統中使用時要注重毗連方式。同軸電纜只能做一根導體使用,其外層作為屏障層使用。平衡電路對空間和地線的電磁干擾具有很好的抑建造用,是以在通訊電纜上獲得普遍的運用。當平衡電路的共模抑制比不能知足要求時,可以用屏障、共模扼流圈等方式來進行改善。但屏障的方式僅適合于空間電磁場造成共模干擾的場所。共模扼流圈的方式可以適合于任何共模干擾的場所,如地線電位差釀成的共模干擾。屏障:將電路的輸進電纜屏障起來,屏障層依照規范進行毗連,可以起到屏障電磁場的作用,它的抑制效果與電路平衡性對空間電磁場的共模干擾的抑制效果是相加的。例如,屏障提供的共模抑制效果是30dB,平衡電路的共模抑制比是60dB,則總的共模抑制效果是90dB。電纜屏障層的屏障效果在很年夜水平上決議于屏障層的端接方式,端接欠好的話(不是360度搭接方式),高頻的屏障效能會下降。共模扼流圈:共模扼流圈的特殊繞制方式決議了它僅對共模電流有抑建造用,而對電路工作所需要的差模電流沒有影響。是以,共模扼流圈是解決共模干擾的理想器件。理想的共模扼流圈低頻的共模抑建造用小,而隨著頻率的升高,抑制效果增加。這與平衡電路低頻的共模抑制比高,隨著頻率升高,平衡性變差,共模抑制比下降的特征正好相反,是以具有互補性。所以,在平衡電路中使用了共模扼流圈后,電路在較寬的頻率范圍內能連結較高的共模抑制比。說明1:現實共模扼流圈的頻率特征與磁芯的材料,線圈的繞法等身分有關,在現實使用時,要憑據具體情況進行參數的調整。說明2:共模扼流圈的特征與許多共模抑制器件的特征都有互補性,例如,隔離變壓器,由于初度級之間寄生電容的影響,對于高頻共模干擾抑制效果很差,與共模扼流圈一起使用后,就改善了這個缺陷。共模扼流圈的另外一個益處是,不需要接地。這為設計提供了很年夜利便。

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