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電纜的電磁干擾分析

作者: 時間:2011-07-31 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

在電子設(shè)備和系統(tǒng)中,各種是信號傳輸必不可少的聯(lián)系紐帶,同時又是導(dǎo)致各種電磁兼容()問題的主要因素。造成)的原因主要是因為電纜上存在著干擾電流。介紹了2 種干擾電流,結(jié)合電磁兼容測試中經(jīng)常出現(xiàn)的問題,對每種電流產(chǎn)生的原因進行了分析,提出了減小這些干擾電流的具體方法。通過試驗驗證了方法的可操作性,對產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

1 干擾電流

設(shè)備的電源線、信號線等通信線、與其他設(shè)備或外圍設(shè)備相互交換的通信線路,至少有2 根導(dǎo)線,這2 根導(dǎo)線作為往返線路輸送電流或信號。但在這2 根導(dǎo)線之外通常還有第3 根導(dǎo)線, 即地線。線纜中存在的干擾電流分為2 種: 一種是2 根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸,稱為“差?!?;另一種是2 根導(dǎo)線作去路,地線作返回路傳輸,這種稱為共模。

電纜上的差模干擾電流和共模干擾電流可以通過電纜直接傳導(dǎo)進入電子設(shè)備的電路模塊或其他設(shè)備,也可以在空間產(chǎn)生電磁場形成輻射干擾。

通常線路上的差模分量和共模分量是同時存在的,而且由于線路的阻抗不平衡,2 種分量在傳輸中會互相轉(zhuǎn)變。干擾在線路上經(jīng)過長距離的傳輸后,差模分量的衰減要比共模分量大,因為線間阻抗與線地阻抗不同的緣故。

共模干擾的頻率一般分布在1 MHz 以上,在傳輸?shù)耐瑫r,會向臨近空間輻射,耦合到信號電路中形成干擾,很難防范。差模干擾的頻率相對較低,不易形成空間輻射,可以采取處理措施降低其干擾。

2 減小干擾的方法

2.1 減小差模干擾
電纜上產(chǎn)生差模干擾電流的主要原因是電路或器件工作過程中產(chǎn)生的噪聲電流直接傳導(dǎo)到電纜中,然后再傳導(dǎo)至其他電路或設(shè)備使之受到影響。

這些都是不希望存在的雜波電流,消除這些電流的方法有2 種:改變電路結(jié)構(gòu)或選用高電磁兼容性器件從根源上抑制噪聲的產(chǎn)生;采用濾波的方法阻止干擾電流進入其他設(shè)備或電路造成干擾。

電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要基本經(jīng)驗知識的累積,電磁兼容性好的電子器件價格經(jīng)常比同類產(chǎn)品高出很多,而且實際效果與具體使用情況有關(guān),因此設(shè)計時通常采用濾波的方法減小差模干擾。良好的濾波能直接抑制騷擾能量在導(dǎo)線上的流通,所以對通過載流導(dǎo)線的輻射騷擾抑制也能起到明顯的抑制作用。

濾波器件有很多種,在電源部分使用的濾波器有電源濾波器、磁環(huán)和磁珠等;在信號線上使用的濾波器有信號濾波器、磁環(huán)和磁珠、穿心電容、濾波連接器等;在印刷電路板上使用的濾波器有去耦電容、片狀(表面安裝式)濾波器和磁珠等。

2.2 減小共模干擾
電纜上的共模干擾電流可以通過分布電容和互感耦合到其他電纜上, 再經(jīng)由電纜影響與之相連接的器件和設(shè)備; 也可以通過空間電場輻射直接干擾其他設(shè)備。

經(jīng)常采用這些方法來降低電纜對外界的共模干擾: 減小線間的電容耦合和電感耦合;實際情況允許的情況下截短電纜長度、使用屏蔽電纜及接地。

2. 2. 1 電容耦合和互感耦合
當(dāng)一根導(dǎo)線上存在電壓或有電流流過時, 就會有電磁能量輻射出來, 到達附近的導(dǎo)線上, 這就是導(dǎo)線之間的串?dāng)_。串?dāng)_屬于近場的感應(yīng)耦合, 原因是導(dǎo)線之間存在雜散電容和互感, 即電容耦合和互感耦合, 如圖1 所示。

電纜的電磁干擾分析
圖1 電容耦合和互感耦合


圖1(a)是電容耦合原理圖,2 個導(dǎo)體之間存在分布電容C12,2 根導(dǎo)線之間就存在電壓,也就是說電壓是串聯(lián)于受擾導(dǎo)線的。導(dǎo)體對地有單位長度分布電容C1G、C2G, 導(dǎo)體之間單位長度分布電容為C12, 導(dǎo)體之間的分布電容也稱耦合電容。不考慮C1G的情況下,干擾電源U1 在導(dǎo)體2 電路產(chǎn)生的干擾電壓U2 為:

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式中:
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Z2 為C2G 的容抗與R 的并聯(lián),即:
電纜的電磁干擾分析
從式( 1) 可以看出, 減小干擾電壓U2 可以通過減小Z2 和增加XC 的值來實現(xiàn)。具體方法如下:
①減小受擾導(dǎo)線對地的電阻R;
②減小分布電容C12。2 個導(dǎo)線平行時電容最大,而方向改為垂直時,電容最小。在一定范圍內(nèi)增加導(dǎo)線之間的距離和減小導(dǎo)線的長度都可以減小導(dǎo)線間的電容;
③使受擾導(dǎo)線接近地線,或在接收導(dǎo)線的鄰近設(shè)置地線,從而增大C 2G的電容。

另外,將受擾導(dǎo)線屏蔽也可以減小導(dǎo)線間的電容耦合。

電感耦合原理如圖1(b)所示,當(dāng)干擾回路1 中有交變電流流過時,會產(chǎn)生交變磁能,交變磁通穿過回路2 并在回路2 中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,可表示為:
電纜的電磁干擾分析
式中,M 為2個電路間的互感,M=Φ / I1(H),Φ為電流I 1 流過電路2 時在回路2 中產(chǎn)生的磁通,I1 為干擾回路的電流;ω為交變電流的角頻率。

從式(2)可以看出,感應(yīng)電動勢主要與互感耦合相關(guān),減小Φ 的值可以使互感耦合變?nèi)?,具體做法如下:
①減小受擾電路的回路面積。受擾電路的信號線與回線盡量靠近, 如使用雙絞線或同軸電纜;
② 磁場隨距離的增加衰減非???, 可以增加施擾導(dǎo)線與受擾導(dǎo)線的之間的距離。也可以調(diào)整2 個回路之間的相對角度。

避免信號返回線路共享共同的路徑,也可以減少電感串?dāng)_。

2. 2. 2 空間輻射
線纜之所以會輻射電磁波,是因為電纜端口處有共模電壓存在,電纜在共模電壓的驅(qū)動下,產(chǎn)生共模電流,存在共模電流的電纜如同一根單極天線,產(chǎn)生電場輻射。

共模電場輻射可用對地電壓激勵的、長度小于1/ 4波長的短單極天線來模擬。對于接地平面上長度為L 的短單極天線來說,在遠(yuǎn)場r 處的電場強度為:
電纜的電磁干擾分析
式中,L 為天線長度(m)。

從式(3)中可以看出,共模電場輻射與頻率f 、共模電流I 及天線長度L 成正比,分別限制f、I 、L可以使共模電場輻射得到控制,而其中限制共模電流I 是減小共模輻射的基本方法。具體可采取的有效措施如下:
①盡量減小激勵此天線的源電壓,即地電位,電纜靠近接地平板走線;
②在設(shè)備內(nèi)部,電纜長度盡可能短,避免環(huán)繞電路走線;
③提供與電纜串聯(lián)的高共模阻抗,使用共模扼流圈,如計算機的外連線上經(jīng)常使用鐵氧體磁環(huán);
④使用電容等器件將共模電流旁路到地;
⑤使用屏蔽電纜,并且電纜屏蔽層與屏蔽殼體作360端接。

3 測試結(jié)果分析

差模干擾測試結(jié)果如圖2 所示。圖2(a)是開關(guān)電源的工作頻率及其高頻諧波分量造成的電源線傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo),其中200 kHz 的尖峰是開關(guān)電源的工作頻率,選擇合適的電源輸入濾波器可以將這些干擾電流進行衰減,圖2(b)是使用濾波器后的效果曲線。

電纜的電磁干擾分析
圖2 減小差模干擾測試曲線


減小電容耦合和互感耦合測試曲線如圖3 所示。因為電容耦合和互感耦合的存在,經(jīng)常出現(xiàn)圖3(a)這樣的測試結(jié)果。這是因為電源線濾波器的輸入輸出線捆成一束,濾波器輸出線上的雜波電流直接通過電容和互感耦合到輸入線上,使濾波器形同虛設(shè)。解決這一問題只需將濾波器的輸入輸出線分別截短并盡可能遠(yuǎn)離,保持一定角度,并將線固定在機箱殼體上,這樣就使得輸入線輸出線上的干擾電流不能直接耦合,電源線經(jīng)過濾波器后干擾電流得到抑制。

電纜的電磁干擾分析
圖3 減小電容耦合和互感耦合測試曲線

減小空間輻射測試曲線如圖4 所示。圖4(a)是一臺外接

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