机箱布线的电磁兼容研究

陈明中，林天静，阮 翔

（中国电子科技集团公司第五十二研究所，浙江 杭州310012）

0 引言

机箱内部电缆间的串扰会导致产品性能降低甚至失效，大量的电磁干扰（EMI）信号通过电缆间的串扰来传播。为确保整个设备安全可靠地工作，就必须解决机箱内部电缆间串扰带来的不良影响。以往很多电磁兼容试验中，在出现辐射超标时，把设备内部线缆捋捋便通过试验，这就是因为导线之间布线不合理，导致了电缆间的串扰。

在恶劣的电磁环境中，大量的电磁干扰导致电缆间的串扰会更加严重，所以电子产品要保持良好的性能，必须考虑电缆的电磁兼容布线设计。因此本文对电缆布线的电磁兼容进行研究，对于电子设备在抗恶劣环境中的使用具有重要的现实意义。

1 电缆间串扰的原因及判断方法

1.1 电缆间串扰的原因

两根导线靠得比较近，之间就会发生信号的串扰。串扰是指一根导线上的能量感应到了另一根导线上，并对另一根导线上的信号产生了干扰。两根导线间存在分布电容和互感是导致串扰的原因。

（1）容性耦合

图1 电容耦合模型

从公式（1）中可以看出，电容耦合的强度直接与信号频率、被干扰导体对地电阻、导体之间的电容成正比。

从公式（2）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布线直接相关。

（2）互感耦合

导线之间的互感性串扰如图2所示，当回路1中有电流I1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，M就是互感。

图2 互感耦合模型

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：

这说明回路1中的能量耦合进了回路2形成干扰电压，并且该电压是回路1中电流的微分。可以看出，互感耦合的强度与回路面积、导线间距、干扰电流大小等因素相关，但一般干扰电流是固定的，只能通过调整回路面积和导线间距来解决问题，而这些参数与导线的布线有直接的关系。

1.2 电缆串扰判断方法

当发现电路中存在干扰时，首先要检查干扰信号是从哪部分电路中串扰产生。判断方法有以下几种。需要注意的是，信号串扰不单纯是从电缆间产生，在印制板上也会产生类似的信号串扰。

（1）将被干扰器件附近导线上传输的信号暂时去掉，如果干扰消失，就可以确定干扰是由该干扰源产生；

（2）改变怀疑的干扰源信号的频率，或者对干扰源信号频率进行展频，比如在潜在干扰信号的输出端对地并联一电容，如果干扰消失或减小，可以确定干扰是从该信号上串扰过来的；

（3）用示波器同时观测干扰信号和怀疑的干扰源信号，如果干扰信号与怀疑的干扰源信号相同，可以确定该信号就是干扰源；

（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。

2 电缆的分类及机箱内布线

2.1 电缆的分类

电缆间的串扰与电缆上传输信号频率和信号特点有关，因此根据电缆上传输的信号特点对电缆进线分类，可以有效减小电缆间的串扰问题，通常分四类。

（1）第一类电缆：电磁发射电缆，一般为电源输入线，必须进行屏蔽处理。

（2）第二类电缆：电磁敏感电缆。这类电缆又分两类：二类甲，非常敏感信号，包括低电平模拟信号线（如传感器输出的mV级模拟信号等）、高速数字通信信号（如网线等）；二类乙，比较敏感信号，包括普通模拟信号（4～20mA，0～10V，低于 1MHz）、低速数字通信信号（RS-422、RS-485等）以及数字电平信号，例如VGA信号线、音频信号线、USB信号线等。二类电缆必须进行屏蔽处理[1]。

（3）第三类电缆：既是电磁发射电缆又是电磁敏感电缆，如时钟信号电缆、LVDS电缆等。三类电缆必须进行屏蔽处理。

（4）第四类电缆：中性电缆，如指示灯电缆、复位信号电缆等。需要注意的是随着条件不同，电缆的分类也会转变，例如开关电源输出滤波处理不到位，那指示灯电缆就应归为第一类电缆。四类电缆在产品中很少，因此也建议进行屏蔽处理。

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，造成信号的干扰，这种现象在平行的导线之间很容易产生，因此在电缆布线时，要特别避免平行布线。尤其是当导线上传输的是低电平模拟信号时，邻近导线对其产生的串扰是造成系统性能下降的主要原因。所以在设计中，信号线的分组是必须进行的设计项目，通过信号线分组，使可能发生的串扰降低到最小。

2.2 机箱内的布线

由于电缆间存在串扰，而串扰的强度与电缆布线有直接的关系，因此机箱内电缆的布线尤为重要，许多电磁兼容问题都是由于布线问题引起。产品设计时就应该对机箱内电缆布线进行设计，了解电流的走向、梳理电缆的分类、明确电缆的布线路径、确认电缆的接地点等。

（1）布线间距

电缆间的串扰受电缆的分布电容影响巨大，而电缆间的分布电容与电缆的间距有关，因此布线的时候应考虑电缆间的间距要求。依据经验，机箱内对于长度超过0.5m的电缆，最小间距如图3所示[2]。但电缆平行走线时，间距应增加。另外电缆束附近应有一条参考电位的地线，这有益于降低辐射发射，提高抗扰度。图3中给出的间距也不是绝对的，有些电缆信号滤波处理恰当，或电缆外套有屏蔽等，往往能影响各类电缆间的布线间距，实际布线应该以电磁兼容试验结果为最终标准。但是各类电缆间间距趋势还是可以参照的，比如说一类与二类电缆的间距需大于一类与四类电缆的间距。

图3 不同类型电缆间的布线间距

（2）布线原则

多次电磁兼容试验表明，合理的电缆布线对提高整机性能的可靠性和电磁兼容性非常有利。根据上文中电缆间的串扰分析，以及通过对试验经验和结果的归纳，总结分析机箱内电缆的布线原则如下：

①电源输入电缆遵循路径最短、回路面积最小、回路电流最顺畅的原则。合理摆放航空接头、保险丝、滤波器、开关、电源的位置，使电源输入线尽可能的短、回路面积尽可能的小。

②电缆的信号线与回线要靠近走线，必要时可以采用双绞线方式，减小差模回路面积。

③不同类型电缆要各自分类单独进行捆绑，其中二类电缆中的甲乙类也需分类单独捆绑。

④应控制一类、二类、三类电缆间的布线间距。

⑤各类线缆布线尽量不要平行走线，可适当调整相对位置与角度。

⑥尽量将线缆贴于机壳表面走线，减小共模环路面积。

⑦应控制电缆长度，避免环绕电路走线。

⑧应采用多根电源线从主电源向各板卡分别供电。

3 布局对机箱布线的影响

共模电流的流向和路径主要取决于电缆与接插件在产品中的位置，而接插件的位置也会影响电缆的布局，因此在产品设计时，应考虑共模电流的路径、敏感电路、骚扰源以及电缆四者之间的关系，通过合理布置板卡位置以及板卡接插件，使得外界注入电缆的共模电流不能流过敏感板卡和敏感电路，也使得内部电路的骚扰源不会流向外界电缆；同时也使得各电缆能够按布线原则，按类区分开，避免所有电缆混合在一起。

3.1 板卡布局的影响

板卡的布局，就是将所有敏感电路板卡、所有骚扰源电路板卡分开放置。即将不同类型的板卡进行分类布局，不同类型的板卡之间相互隔离。电缆布线尽量避开敏感电路板卡或骚扰源电路板卡，避免电缆干扰板卡或被板卡干扰。所以板卡的布局也会影响电缆分类以及电缆走向，因此板卡的合理布局是电缆布线的必要条件。

在整体方案设计时，应确认机箱内的敏感电路、骚扰源电路以及整体电流和信号的流向，以电流和信号的流向为母线来合理规划板卡的设计，敏感电路板卡和骚扰源电路板卡只挂在母线上，母线不从这些板卡上通过，如图4所示。这样不仅有利于布线，也有利于对敏感源和骚扰源的局部处理，例如板卡单独屏蔽。

图4 板卡布局框图

3.2 PCB接插件布局的影响

PCB接插件布局就是调整PCB中接插件的位置，使电缆中的共模电流不流过整个印制板及其工作地GND，有效的保护敏感电路。其中有一种比较好的方法是：将流过共模电流的接插件、电缆集中放置在电路板的同一侧，这样就可以使共模电流不流过整个印制板及其工作地GND。这个机理可以用图5来说明。

图5 接插件位置与共模电流路径关系

如图5a）所示，接插件在印制板的两侧，当在输入电缆中注入共模干扰信号时，由于输出电缆与参考地之间的分布电容，这时相当一部分共模干扰电流流过了整个印制板，整个印制板都会受到共模干扰的影响，敏感电路可能出现工作异常。而在图5b），接插件在印制板的一侧时，共模电流大小并没有改变，但是共模电流路径却发生了很大的变化。即共模电流自输入电缆进入印制板后，又很快地通过输出电缆流入大地，这样就使得大部分印制板受到了保护。

需要注意的是，不同特性的信号接插件在一块印制板上时，就需要根据信号干扰大小灵活处理，干扰越大的在印制板上的路径越小越好，如图6所示。当然接插件也可以放在印制板的同一侧，如图7所示。不过放在印制板同一侧还有个好处，就是能够很容易设计“干净地”来降低印制板地线引起的共模电流噪声[3]。

图6 接插件位于PCB不同侧

图7 接插件位于PCB同侧

4 机箱内布线设计思路探讨

目前在机箱电缆布线过程经常会碰到一些问题，这些问题可以分为两大类。第一类基本上都是方案设计时未进行电缆布线设计，硬件设计师、结构设计师、PCB设计师都只考虑设备在功能上的实现，而且都只考虑各自部分的设计，相互缺乏沟通和理解，未深度参与整体方案设计。第二类为可制造性问题，设计师未考虑可制造性设计，生产更是按主观意志进行布线制作，导致一致性、重复性、可靠性差。

针对上述问题，应要求硬件设计师、结构设计师、PCB设计师等项目人员深度参与方案设计。在方案设计时规划好板卡，在电缆设计时分类好电缆，在PCB设计时布局好电路，在结构设计时确认好布线位置，有条件时应出具机箱内部电缆布线图纸，使每根电缆有原理可循、有原则可依、有位置可布。

根据设备内的布线情况以及电磁兼容整改情况，结合电缆设计的电磁兼容分析，本文对机箱内布线提出了一种新的设计思路。

（1）金属机箱

如图8所示，图中每根电缆都采用外套屏蔽层设计，在电缆端口处都采用金属板压接的方式与机壳360°搭接；每类电缆航空插头分类排列，各类电缆航空插头间距参照电缆布线间距要求排列；电缆进行分类捆绑，不同类电缆之间互不干涉；同时每类电缆都单独设计U型的走线槽，电缆布线完成后，在每个U型走线槽上盖上金属盖板，使每个走线槽都成为屏蔽体，并且使每根电缆在走线槽内获得足够的压力，使每根电缆的屏蔽层与屏蔽层或与机壳之间能够相互紧贴，保证每根电缆的整个屏蔽层都与机壳良好搭接。故可以认为每根电缆屏蔽层的任何一位置都是与机壳搭接的，电缆几乎都是沿着机壳表面布线，所以都不存在地环路现象，也就不会有电缆间的串扰问题，同时每根电缆都具有屏蔽层和走线槽的双重屏蔽效果。

图8 电缆设计与布线设相图

（2）非金属机箱

不管是金属机箱还是非金属机箱，电缆间的串扰原理是一样的，电缆的分类、布线间距以及布线原则也是相同的。非金属机箱电缆设计时，电缆也需要外套屏蔽层，由于无法像金属机箱一样，使每根屏蔽层与机壳都良好搭接，因此屏蔽层两端分别接引出接地端子，引出接地端子长度应尽可能短，避免产生“猪尾巴效应”。同时将电缆分类捆绑，参照电缆布线间距要求，按相应间距布线，当无法实现时，尽量避免长距离平行布线，以减少不同电缆间的串扰。不同类电缆的屏蔽层接地端子接入不同的参考平面，同一类电缆的屏蔽层接地端子接入同一参考平面，参考平面可以是某区域机壳或某类印制板等，使该类电缆参考的地平面相对稳定、干净，避免不同类电缆通过地平面相互影响。

良好的机箱布线，不仅应考虑电磁兼容，还应该考虑到设备的可靠性和可维修性，同时还要从美学的角度尽量使得布线均匀、美观。

5 结语

当前，电子设备的布线是一个相当重要的环节，良好的布线可使设备避免许多不必要的干扰，提高设备的抗干扰能力。面对当今恶劣的电磁环境，应该充分考虑电缆的电磁兼容布线，合理利用机箱内部的宝贵空间，按照电缆布线的原则进行布线设计，从而保证电子设备具有良好的电磁兼容性，满足恶劣电磁环境下的使用要求，确保产品具有高质量、高可靠性。