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电缆在系统中的干扰与解决对策
更新时间:2020-05-23 发布:www.china-sunbet.net

电缆是系统中致使电磁兼容问题的最主要身分。是以,在现实中经常发现:当将装备上的外拖电缆取下来时,装备就能够顺遂经由过程实验,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。这是由于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,是以导线之间存在较年夜的分部电容和互电感,这会致使导线之间发生旌旗灯号的串扰。解决电缆问题的主要方式之一是对电缆进行屏障,可是屏障电缆应当怎样端接,怎样的屏障电缆才是有用的,等一系列问题是普遍关心而模糊的问题。本节计议电缆的辐射问题、电磁场对电缆的干扰问题、导线之间的旌旗灯号串扰问题,和这些问题的对策。1电缆的辐射问题电缆的辐射问题是工程中最多见的问题之一,90以上的装备(主要是含脉冲电路的装备)不能经由过程辐射发射实验都是由于电缆辐射酿成的。电缆发生辐射的机理有两种,一种是电缆中的旌旗灯号电流(差模电流)回路发生的差模辐射,另外一种是电缆中的导线(包括屏障层)上的共模电流发生的。电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流发生的,共模电流的环路面积是由电缆与年夜地(或临近其它年夜型导体)形成的,是以具有较年夜的环路面积,会发生较强的辐射。共模电流是若何发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致使共模电流的基本缘由,共模电压就是电缆与年夜地(或临近的其它年夜型导体)之间的电压。从共模电压动身,寻觅致使共模电流的缘由就容易了,而致使一个问题的缘由一旦清晰,解决这个问题就不是很坚苦了。电缆上的共模电流发生的缘由有以下几点:差模电流泄漏致使的共模电流.即使电缆中包括了旌旗灯号回线,也不能保证旌旗灯号电流100从回线返回旌旗灯号源,出格是在频率较高的场所,空间各类杂散参数为旌旗灯号电流提供了第三条,甚至更多的返回路径。这类共模电流虽然所占的比例很小,可是由于辐射环路面积年夜,辐射是是不能轻忽的。不要试图经由过程将电路与年夜地“断开”(将线路板与机箱之间的地线断开,或将机箱与年夜地之间的地线断开)来减小共模电流,从而减小共模辐射。将电路与年夜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阻抗很小。共模电流主要由杂散电容发生。固然,若是共模辐射的问题主要发生在低频,将线路板或机箱与年夜地断开会有一定效果。从共模电流发生的机理可知,减小这类共模电流的有用方式是减小差模回路的阻抗,从而促使年夜部门旌旗灯号电流从旌旗灯号地线返回。一般旌旗灯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平均散布在外皮上,其等效电流与轴心重合,是以回路面积为零,差模阻抗接近为零,几近100的旌旗灯号电流从同轴电缆的外皮返回旌旗灯号源,共模电流几近为零,所以共模辐射很小。另外一方面,由于差模电流回路的面积几近为零,差模辐射也很小,所以同轴电缆的辐射是很小的。对于高频旌旗灯号,用同轴电缆传述可以免辐射。现实上,这与我们传统上用同轴电缆传输高频旌旗灯号,以减小旌旗灯号的消耗的目的具有不异的本质。由于旌旗灯号的消耗小了,自然说明泄漏的成份少了,而这部门泄漏就是电缆的辐射。线路板的地线噪声致使的共模电流。旌旗灯号地线就是旌旗灯号的回流线,是以,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,致使共模辐射。线路板设计一章中提供的各类减小地线阻抗的设计方式,可以用来减小地线上的噪声,从而减小共模电压。一种推荐的方式是在电缆端口设置“清洁地”。所谓清洁地就是这块地线上没有可以发生噪声的电路,是以地线上的局部电位几近相等。若是机箱是金属机箱,将这块清洁地与金属机箱毗连起来。机箱内电磁波空间感应致使的共模电流。机箱内总是布满了电磁波的,这些电磁波会在电缆上感应出共模电压,另外,电缆端口的四周也会有一些发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。电磁感应发生的共模电压。需要注重的是,机箱内的电磁波年夜多由电路的差模辐射所至,在线路板设计一章,我们计议了脉冲旌旗灯号差模辐射的频谱,可知其频率范围是很宽的。这致使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:在知足使用要求的条件下,尽量使用短的电缆。但电缆长度往往遭到装备之间毗连距离的限制,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,减小电缆长度也没较着效果;增加共模电流环路的阻抗:目的是减小共模电流,由于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,当共模回路阻抗一按时,减小共模电压就能够减小共模电流;低通滤波器滤波:目的是削减高频共模电流成份,这些高频共模电流的辐射效率很高;电缆屏障:目的是为共模电流提供一条环路面积较小的路径。下面介绍在现实工程中运用上述概念的方式。1增加共模电流回路的阻抗装备组装完成后,装备电缆上发生的共模电压也就一定了。这时候,减小电缆上的共模电流的方式就是增加共模电流回路的阻抗。可是怎样增加共模回路的阻抗是许多工程师困惑的问题。他们往往试图经由过程断开线路板与机箱之间的毗连,或机箱与平安地之间的毗连,来增加共模回路的阻抗,成效往往使人失看。由于这些方式仅对低频有用,而低频共模电流其实不是辐射的主要缘由。实用而有用的方式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年夜的阻抗,而对差模旌旗灯号没有影响,是以使用上很简单,而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组成了一个共模扼流圈,凭据需要,也能够将电缆在磁环上绕几匝。为了工程利便,很多厂家提供分体式的磁环,这类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,运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,若是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,而若是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,需要注重以下问题:a.铁氧体材料的选择:凭据要抑制干扰的频率分歧,选择分歧材料成份和磁导率的铁氧体材料。镍锌铁氧体材料的高频特征由于锰锌铁氧体材料,而且铁氧体材料的磁导率越高,低频的阻抗越年夜,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年夜。b.铁氧体磁环的尺寸:磁环的内外径差越年夜,轴向越长,阻抗越年夜。但内径一定要包紧导线。是以,要获得年夜的衰减,在磁环内径包紧电缆的条件下,尽量使用体积较年夜的磁环。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,可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毛病。当需要抑制的干扰频带较宽时,可在两个磁环上绕分歧的匝数。例:某装备有两个超标辐射频率点,一个是为40MHz,另外一个为900MHz。经检查,肯定是电缆的共模辐射而至。在电缆上套一个磁环(1/2匝),900MHz的干扰较着减小,不再超标,可是40MHz频率依然超标。将电缆在磁环上绕3匝,40MHz干扰减小,不再超标,但900MHz超标。为领会决这个问题,使用了两个铁氧体磁环,一个1/2匝,另外一个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。这是由于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。对于屏障机箱上的电缆,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,原往返路的阻抗越低,则磁环的效果越较着。是以当原来的电缆两头安装了共模滤波电容时,由于其共模阻抗很低,磁环的效果更较着。(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年夜地之间的回路发生的,差模电压是电磁场在旌旗灯号线与旌旗灯号地线形成的回路中发生的。当电路长短平衡电路时,共模电流会转换成差模电压,对电路形成干扰。由于旌旗灯号线与旌旗灯号地线形成的回路面积很小,是以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:电场份量垂直于地面,磁场份量垂直于导线-地面回路时,感应最强。电缆很远离地面时:电场份量平行于地面,磁场份量垂直于导线-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年夜地为参考点的,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表露在统一个场中,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现实中是很常见的,例如电源线的四周、马达或变压器的四周等。当电缆穿过这类磁场时,电缆所毗连的电路中就会发生干扰。这类干扰是由于导体回路面积所包围的磁通量发生变化而至。凭据电磁感应定律,导体上感应的电压幅度与它所包围的磁通变化率成正比。若是回路面积所含的磁通量为j,则:VN=(dj/dt)若是假设回路面积A中所包围的磁场是平均的,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)若是磁场按正弦纪律变化,且暗示成:B=B0e-jwt则:VN=jwAB从公式中,可以看出,感应电压与磁场的频率、磁通密度、回路面积等成正比。由于外界干扰场的频率是不受控的,是以为了减小感应电压,应尽量减小回路中所包围的磁通密度和回路的面积。减小磁通密度只能经由过程增加电缆与磁场辐射源之间的距离来实现。减小回路面积可以经由过程使用适当的电缆和接地方式来实现。克服磁场的干扰有用方式是减小回路的面积,也就是使旌旗灯号线与其回线尽量靠近。双绞线和同轴线在减小磁场干扰方面有很好的效果。双绞线:双绞线能够有用地抑制磁场干扰,这不仅是由于双绞线的两根线之间具有很小的回路面积,而且由于双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的标的目的,是以相互抵销。双绞线的绞节越密,则效果越较着。可是,若是电路的两头接地,则不再具有上述特征。由于这时候每根导线与地平面之间组成了一个面积很年夜的回路,在这个回路中会发生感应电流。由于两根导线是不服衡的,是以会发生差模电压。同轴电缆:当同轴电缆适当毗连时,对磁场干扰的抑制效果是十分理想的。由于同轴电缆上旌旗灯号电流与回流可以等效为在几何上重合,其面积为0。为了连结同轴电缆的这个特征,在电缆的两头,非同轴部门,要连结面积尽量小。即屏障层的联线尽量短。现实的同轴电缆,由于芯线与外层纷歧定是完全齐心,是以会有一定的等效面积,影响其抑制效果。与双绞线的情况相似,同轴线的两头也不能接地,否则在芯线与年夜地的回路中和外层与年夜地的回路中城市发生电流,由于电路非平衡性,会发生差模噪声。由于天线的对称原理,上述结构的电缆若是接收效率低,则它们的辐射效率也低,是以,双绞线电缆和同轴电缆的辐射也较小。哄骗这个特点,可以减小电缆的磁场辐射。屏障电缆的效果与屏障层和电路的接地紧密亲密相关。出格是当外界干扰为磁场时,分歧的毗连方式效果年夜不不异。这组数据是在磁场中针对分歧的接地结构实验获得的:结构A:在旌旗灯号线上套一个非磁性材料的屏障套,而且单点接地。对于磁场而言,当非磁性材料的屏障层单点接地时,旌旗灯号回路中的磁场没有变化,是以磁场感应是不异的,即这类结构没有屏障效果。这类情况屏障效果界说为0dB,作为参考点。结构B:将A中的屏障层两头接地。这时候就能够提供一定的屏障效能了。由于由屏障层与地平面组成的环路中也感应了电流,这个电流发生了一个与原磁场相反的磁场,使旌旗灯号回路中的磁场削弱,感应噪声减小。结构C:双绞线本应提供较好的屏障效果(由于相邻绞节中感应的电流标的目的相反,相互抵消),但由于电路两头接地,现实的感应回路其实不小,是以效果较差。结构D:在双绞线上加了一个单端接地的屏障层,由于单端接地的屏障层对磁场没有屏障效果,是以并没有改善双绞线的屏障效能。结构E:将屏障层两头接地后,同B一样,屏障层中的电流发生的反磁场削弱了原磁场,屏障效能有所提高。说明:结构C是一种常见的毛病,在实践中要避免。结构F:电路只在单点接地,哄骗电缆的屏障层作为回流路径,年夜年夜减小了感应回路的面积,是以屏障效能年夜幅度提高。理想的同轴电缆回路面积为0,不会感应上任何噪声电压。现实同轴电缆的屏障效果取决于芯线与外层轴心的误差。结构G:双绞线由于具有很小的感应回路,而且相邻绞节中的感应电流对消,是以浮现出较高的磁场屏障效果。现实的抑制效果比55更高,由于这里有些电场感应了进来。这从结构H可以看出。在结构H中,单端接地的屏障层抑制了电场感应,是屏障效果提高到70。结构H:在G的根蒂根基上增加一个单端接地的屏障层,消除(实验装配发生的附加)电场的影响。这里的屏障效果没有F高,是由于双绞线的回路面积没有同轴电缆的小。增加绞节密度可以进一步提高抑制效果。结构I:将H中的屏障层两头接地后,致使屏障效能下降。这是由于屏障层两头接地后,在屏障层上发生了感应电流,这个电流在双绞线上感应出电流,由于电路不是平衡的,致使发生差模电压。结构J:将H中的屏障层非接地的一端接到电路公共端,进一步提高了屏障效能,但没有到达F的水平,由于F中的电缆是同轴电缆,具有很小的感应回路。问题:结构H的屏障效能比结构G提高了一些,这是由于单端接地的屏障层消除实验装配发生的附加额外的电场,为什么结构D的屏障效能没有比结构C的屏障效能提高?平衡电路:平衡电路中的两个导体及与其毗连的所有电路对地或其它导体有不异的阻抗。平衡电路对电磁场的响应:平衡电路中的两个导体几何尺寸不异,而且靠得很近,是以可以认为是处于统一个场强。由于它们相对任何参照物体的阻抗都相等,是以它们上面感应的电流是不异的,在导体两头相对参考点的电压也是不异的。是以两根导体之间的电压为0V。若这两个导体毗连在电路的输进端,为电路提供输进旌旗灯号电压,由于它们之间没有噪声电压,是以外界电磁场对电路的输进没有影响。理想的平衡电路能够抵当任何强度的电磁场干扰。平衡电路性能的评估:平衡电路的平衡水平用共模抑制比来描写。共模抑制比界说为共模电压与它所发生的差模电压之比,经常使用分贝来暗示。CMRR=20lg(VC/VD)dB例如,若是电路的共模抑制比为60dB,则1000V的共模电压在电路的输进端只能发生1V的差模电压。该电路的抗雷电等发生的共模干扰的性能很好。设计优秀的电路,其共模抑制比可以到达60-80dB。但在高频时,由于寄生参数的影响,电路的平衡性很难作得很好。所以,平衡电路对高频的共模干扰也没有很好的抑制效果。注重1:在使用平衡电路时,不仅要选用平衡电路,而且,在布线时也要保证两根线的对称性,这样才能保证高频的平衡性。注重2:双绞线是一种平衡结构双绞线是一种平衡结构,是以在平衡系统中经常使用双绞线。同轴电缆则不是平衡结构,在平衡系统中使用时要注重毗连方式。同轴电缆只能做一根导体使用,其外层作为屏障层使用。平衡电路对空间和地线的电磁干扰具有很好的抑建造用,是以在通讯电缆上获得普遍的运用。当平衡电路的共模抑制比不能知足要求时,可以用屏障、共模扼流圈等方式来进行改善。但屏障的方式仅适合于空间电磁场造成共模干扰的场所。共模扼流圈的方式可以适合于任何共模干扰的场所,如地线电位差酿成的共模干扰。屏障:将电路的输进电缆屏障起来,屏障层依照规范进行毗连,可以起到屏障电磁场的作用,它的抑制效果与电路平衡性对空间电磁场的共模干扰的抑制效果是相加的。例如,屏障提供的共模抑制效果是30dB,平衡电路的共模抑制比是60dB,则总的共模抑制效果是90dB。电缆屏障层的屏障效果在很年夜水平上决议于屏障层的端接方式,端接欠好的话(不是360度搭接方式),高频的屏障效能会下降。共模扼流圈:共模扼流圈的特殊绕制方式决议了它仅对共模电流有抑建造用,而对电路工作所需要的差模电流没有影响。是以,共模扼流圈是解决共模干扰的理想器件。理想的共模扼流圈低频的共模抑建造用小,而随着频率的升高,抑制效果增加。这与平衡电路低频的共模抑制比高,随着频率升高,平衡性变差,共模抑制比下降的特征正好相反,是以具有互补性。所以,在平衡电路中使用了共模扼流圈后,电路在较宽的频率范围内能连结较高的共模抑制比。说明1:现实共模扼流圈的频率特征与磁芯的材料,线圈的绕法等身分有关,在现实使用时,要凭据具体情况进行参数的调整。说明2:共模扼流圈的特征与许多共模抑制器件的特征都有互补性,例如,隔离变压器,由于初度级之间寄生电容的影响,对于高频共模干扰抑制效果很差,与共模扼流圈一起使用后,就改善了这个缺陷。共模扼流圈的另外一个益处是,不需要接地。这为设计提供了很年夜利便。

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