电缆的电磁干扰分析

王迎节,聂 磊,刘耀华

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.中国人民解放军61046部队,北京100094)

0 引言

电子电器设备通过各种线缆将许多不同功能的器件和元件联接起来,实现各种复杂功能。各种信号和信息电流都要通过线缆传输才能实现各种功能。如果线缆中存在干扰电流或电压,可能会进入电子设备,干扰设备的正常工作,这些干扰还会通过传导和辐射干扰附近的其他设备。

测试中经常发现这样的问题,一台独立进行EMC辐射发射测试时完全合格的设备,连接外接电缆后,就不再合格了。EMC试验常见的问题中,90%不能通过辐射发射都是由于电缆辐射造成的。这是因为电缆是高效的电磁波接收天线和辐射天线;另外,电缆中的导线平行布置的距离最长,因此导线之间存在较大的分布电容或互电感,这会导致导线之间发生信号的串扰。

1 干扰电流

设备的电源线、信号线等通信线、与其他设备或外围设备相互交换的通信线路,至少有2根导线,这2根导线作为往返线路输送电流或信号。但在这2根导线之外通常还有第3根导线,即“地线”。线缆中存在的干扰电流分为2种:一种是2根导线分别作为往返线路传输,称为“差模”;另一种是2根导线作去路,地线作返回路传输,这种称为“共模”。

电缆上的差模干扰电流和共模干扰电流可以通过电缆直接传导进入电子设备的电路模块或其他设备,也可以在空间产生电磁场形成辐射干扰。

通常线路上的差模分量和共模分量是同时存在的,而且由于线路的阻抗不平衡,2种分量在传输中会互相转变。干扰在线路上经过长距离的传输后,差模分量的衰减要比共模分量大,因为线间阻抗与线地阻抗不同的缘故。

共模干扰的频率一般分布在1 MHz以上,在传输的同时,会向临近空间辐射,耦合到信号电路中形成干扰,很难防范。差模干扰的频率相对较低,不易形成空间辐射,可以采取处理措施降低其干扰。

2 减小干扰的方法

2.1 减小差模干扰

电缆上产生差模干扰电流的主要原因是电路或器件工作过程中产生的噪声电流直接传导到电缆中,然后再传导至其他电路或设备使之受到影响。这些都是不希望存在的杂波电流,消除这些电流的方法有2种:改变电路结构或选用高电磁兼容性器件从根源上抑制噪声的产生;采用滤波的方法阻止干扰电流进入其他设备或电路造成干扰。

电路结构的设计需要基本经验知识的累积,电磁兼容性好的电子器件价格经常比同类产品高出很多,而且实际效果与具体使用情况有关,因此设计时通常采用滤波的方法减小差模干扰。良好的滤波能直接抑制骚扰能量在导线上的流通,所以对通过载流导线的辐射骚扰抑制也能起到明显的抑制作用。

滤波器件有很多种,在电源部分使用的滤波器有电源滤波器、磁环和磁珠等;在信号线上使用的滤波器有信号滤波器、磁环和磁珠、穿心电容、滤波连接器等;在印刷电路板上使用的滤波器有去耦电容、片状(表面安装式)滤波器和磁珠等。

2.2 减小共模干扰

电缆上的共模干扰电流可以通过分布电容和互感耦合到其他电缆上,再经由电缆影响与之相连接的器件和设备;也可以通过空间电场辐射直接干扰其他设备。

经常采用这些方法来降低电缆对外界的共模干扰:减小线间的电容耦合和电感耦合;实际情况允许的情况下截短电缆长度、使用屏蔽电缆及接地。

2.2.1 电容耦合和互感耦合

当一根导线上存在电压或有电流流过时,就会有电磁能量辐射出来,到达附近的导线上,这就是导线之间的串扰。串扰属于近场的感应耦合,原因是导线之间存在杂散电容和互感,即电容耦合和互感耦合,如图1所示。

图1 电容耦合和互感耦合

图1(a)是电容耦合原理图,2个导体之间存在分布电容C12,2根导线之间就存在电压,也就是说电压是串联于受扰导线的。导体对地有单位长度分布电容C1G、C2 G,导体之间单位长度分布电容为C12,导体之间的分布电容也称耦合电容。不考虑C1G的情况下,干扰电源U1在导体2电路产生的干扰电压U2为:

从式(1)可以看出,减小干扰电压U2可以通过减小Z2和增加XC的值来实现。具体方法如下:

①减小受扰导线对地的电阻R;

②减小分布电容C12。2个导线平行时电容最大,而方向改为垂直时,电容最小。在一定范围内增加导线之间的距离和减小导线的长度都可以减小导线间的电容;

③使受扰导线接近地线,或在接收导线的邻近设置地线,从而增大C2G的电容。

另外,将受扰导线屏蔽也可以减小导线间的电容耦合。

电感耦合原理如图1(b)所示,当干扰回路1中有交变电流流过时,会产生交变磁能,交变磁通穿过回路2并在回路2中产生感应电动势,可表示为:

式中,M为2个电路间的互感,M=Φ/I1(H),Φ为电流I1流过电路2时在回路2中产生的磁通,I1为干扰回路的电流;ω为交变电流的角频率。

从式(2)可以看出,感应电动势主要与互感耦合相关,减小 Φ的值可以使互感耦合变弱,具体做法如下:

①减小受扰电路的回路面积。受扰电路的信号线与回线尽量靠近,如使用双绞线或同轴电缆;

②磁场随距离的增加衰减非常快,可以增加施扰导线与受扰导线的之间的距离。也可以调整2个回路之间的相对角度。

避免信号返回线路共享共同的路径,也可以减少电感串扰。

2.2.2 空间辐射

线缆之所以会辐射电磁波,是因为电缆端口处有共模电压存在,电缆在共模电压的驱动下,产生共模电流,存在共模电流的电缆如同一根单极天线,产生电场辐射。

共模电场辐射可用对地电压激励的、长度小于1/4波长的短单极天线来模拟。对于接地平面上长度为L的短单极天线来说,在远场r处的电场强度为:

式中,L为天线长度(m)。

从式(3)中可以看出,共模电场辐射与频率f、共模电流I及天线长度L成正比,分别限制f、I、L可以使共模电场辐射得到控制,而其中限制共模电流I是减小共模辐射的基本方法。具体可采取的有效措施如下:

①尽量减小激励此天线的源电压,即地电位,电缆靠近接地平板走线;

②在设备内部,电缆长度尽可能短,避免环绕电路走线;

③提供与电缆串联的高共模阻抗,使用共模扼流圈,如计算机的外连线上经常使用铁氧体磁环;

④使用电容等器件将共模电流旁路到地;

⑤使用屏蔽电缆,并且电缆屏蔽层与屏蔽壳体作360°端接 。

3 测试结果分析

差模干扰测试结果如图2所示。图2(a)是开关电源的工作频率及其高频谐波分量造成的电源线传导发射超标,其中200 kHz的尖峰是开关电源的工作频率,选择合适的电源输入滤波器可以将这些干扰电流进行衰减,图2(b)是使用滤波器后的效果曲线。

图2 减小差模干扰测试曲线

减小电容耦合和互感耦合测试曲线如图3所示。因为电容耦合和互感耦合的存在,经常出现图3(a)这样的测试结果。这是因为电源线滤波器的输入输出线捆成一束,滤波器输出线上的杂波电流直接通过电容和互感耦合到输入线上,使滤波器形同虚设。解决这一问题只需将滤波器的输入输出线分别截短并尽可能远离,保持一定角度,并将线固定在机箱壳体上,这样就使得输入线输出线上的干扰电流不能直接耦合,电源线经过滤波器后干扰电流得到抑制。

图3 减小电容耦合和互感耦合测试曲线

减小空间辐射测试曲线如图4所示。图4(a)是一台外接屏蔽电缆的设备的测试曲线,电缆与接口连接器相连的地方都是将屏蔽层拧成一条小辫(又称Pigtail),然后固定到连接器的螺钉上。屏蔽电缆能控制共模辐射是因为共模电流提供了一个低阻抗通路,使共模电流通过屏蔽层流回共模电压源。电缆屏蔽层提供的共模电流通路的阻抗由电缆本身的阻抗及电缆与金属机箱之间的搭接阻抗2部分组成。因为电缆与金属机箱之间的搭接阻抗(Pigtail的阻抗)较大,这就使得屏蔽层上形成了一个较大的共模电压,在该电压的驱动下,电缆屏蔽层上会产生共模电流,因而屏蔽层变成了天线向外辐射。将“Pigtail”连接改成360°压接在连接器的金属外壳上,保证低阻抗搭接,测试结果如图4(b)所示。

图4 减小空间辐射测试曲线

4 结束语

电缆是造成设备或系统电磁兼容实验失败的主要因素。电缆造成的EMI问题涉及到产品设备从设计到组装的方方面面,包括电路板上的走线、线路板之间的电缆以及设备之间的电缆的设计、装配和组装,测试过程中就经常遇见电缆组装不当引起的电磁干扰问题,这些都可以重新调整。至于电路板中走线的设计等问题必须在电磁兼容设计阶段就充分考虑,否则一旦设计完成,所造成的影响就很难消除。

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