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1、1,电缆的EMC设计,研究生学位课电磁兼容（6）,2,主 要 内 容,电磁场在电缆线上的感应噪声 电缆之间的串扰 电缆的辐射干扰,3,处于电磁场中的电缆,所有的电磁兼容标准中均规定了电缆的传导敏感性试验 实际是空间电磁场对电缆干扰性的试验 电磁场对电缆的影响分为：在信号回路中的差模干扰电 流，在电缆与大地回路间的共模干扰电流,4,差模电压和共模电压,差模电压 电场产生电压的原理是导线处于不同的电位点，而磁场是通过回路中的磁通时变。电缆中信号线和回线间距极小，线间电压和磁感应电压几乎为零。因此，差模干扰电压无需考虑。 电路的干扰主要来自差模电压和电流，而差模感应电压又很小，差模干扰电压是在电路不
2、平衡时，共模电压转换到差模干扰电压的结果,5,电磁场在电缆上的感应电压,10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz 1GHz 10GHz,随频率增加，感应电压增大，线越长，感应越大,6,平衡电路的抗干扰特性,电磁场,V1,V2,I1,I2,VD,平衡性好坏用共模抑制比表示： CMRR = 20lg ( VC / VD ),VC,高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低,如果电路的共模抑制比为60dB，则1000V的共模电压在电路的输入端只能产生1V的差模电压。该电路的抗雷电等产生的共模干扰的性能很好。,CMRR,7,提高共模干扰抑制比的方法,共模抑制比的高频率性好,屏蔽电缆频
3、率特性,共模扼流圈,8,屏蔽静（低频）电场,9,回路面积A,磁场对电缆的干扰,由于外界干扰场的频率和强度是 不受控的，应尽量减小回路的面积。,10,理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因此电缆上的回路面积为0，整个回路面积仅有两端的部分,减小感应回路的面积,两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。,当屏蔽层两端接地时，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is，感应出的Is也会感应出磁场，但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反，相互抵消，导致总磁场减小，减小了干扰。,屏蔽电缆减小
4、磁场影响,只有两端接地的屏蔽层才能屏蔽磁场,12,100,1M,1M,1M,100,100,每米18节,(A),(B),(D),(E),(C),0,27,13,13,28,1M,1M,100,100,抑制磁场干扰的试验数据,单端接地,非磁性材料的屏蔽套,磁性材料的屏蔽套,双绞线/单端接地,屏蔽层两端接地,结构A：在信号线上套一个非磁性材料的屏蔽套，并且单点接地。对于磁场而言，当非磁性材料的屏蔽层单点接地时，信号回路中的磁场没有变化，因此磁场感应是相同的，即这种结构没有屏蔽效果。这种情况屏蔽效果定义为0dB，作为参考点。,100,1M,(A),0dB,非磁性材料的屏蔽套,结构B：将A中的屏蔽层两
5、端接地。这时就能够提供一定的屏蔽效能了。因为由屏蔽层与地平面构成的环路中也感应了电流，这个电流产生了一个与原磁场相反的磁场，使信号回路中的磁场减弱，感应噪声减小。,1M,100,(B),27dB,磁性材料的屏蔽套,结构C：双绞线本应提供较好的屏蔽效果（由于相邻绞节中感应的电流方向相反，相互抵消），但由于电路两端接地，实际的感应回路并不小，因此效果较差。,1M,100,每米18节,(C),13dB,结构D：在双绞线上加了一个单端接地单端接地的屏蔽层，由于单端接地的屏蔽层对磁场没有屏蔽效果，因此并没有改善双绞线的屏蔽效能。,(D),13dB,1M,100,单端接地,双绞线/单端接地,结构E：将屏蔽
6、层两端接地后，同B一样，屏蔽层中的电流产生的反磁场削弱了原磁场，屏蔽效能有所提高。,(E),28dB,1M,100,屏蔽层两端接地,18,抑制磁场干扰的实验数据,100,1M,1M,1M,100,100,每米18节,(F),(G),(I),(J),(H),80,55,70,63,77,1M,1M,100,100,电缆的屏蔽层作为回流路径，大大减小了感应回路的面积,双绞线,H中的屏蔽层两端接地,H中的屏蔽层单端接地,结构F：电路只在单点接地，利用电缆的屏蔽层作为回流路径，大大减小了感应回路的面积，因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同轴电缆回路面积为0，不会感应上任何噪声电压。实际同轴电缆的屏蔽效果取
7、决于芯线与外层轴心的偏差。,100,1M,(F),80dB,结构G：双绞线由于具有很小的感应回路，并且相邻绞节中的感应电流对消，因此表现出较高的磁场屏蔽效果。实际的抑制效果比55更高，因为这里有些电场感应了进来。这从结构H可以看出。,1M,100,每米18节,(G),55dB,在结构H中，单端接地的屏蔽层抑制了电场感应，是屏蔽效果提高到70。,1M,100,(H),70dB,双绞线,结构I：将H中的屏蔽层两端接地后，导致屏蔽效能下降。这是因为屏蔽层两端接地后，在屏蔽层上产生了感应电流，这个电流在双绞线上感应出电流，由于电路不是平衡的，导致产生差模电压。,(I),63dB,1M,100,H中的屏
8、蔽层两端接地,结构J：将H中的屏蔽层非接地的一端接到电路公共端，进一步提高了屏蔽效能，但没有达到F的水平，因为F中的电缆是同轴电缆，具有很小的感应回路。 问题：结构H的屏蔽效能比结构G提高了一些，这是因为单端接地的屏蔽层消除了实验装置产生的附加额外的电场，为什么结构I的屏蔽效能没有比结构J的屏蔽效能提高？,(J),77dB,1M,100,H中的屏蔽层单端接地,24,导线之间两种串扰机理,接收导线的两端情况是不同的，在靠近信号源的一端，电容耦合产生的电流与电感耦合产生的电流方向相同，幅度叠加，而在远离信号源的一端，电容耦合产生的电流与电感产生的电流方向相反，幅度抵消。因此，近端的干扰较强。,25
9、,耦合方式的粗略判断,ZSZL 10002： 电场耦合为主 其它情况难说，取决于几何结构和频率,源电路阻抗ZS，接收电路的阻抗ZL,26,电容耦合模型,C12,C1G,C2G,R,V1,VN,27,耦合公式化简,频率很低的情况,频率、被干扰导体对地电阻、 两导体之间的电容成正比,频率很高的情况,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,28,电容耦合与频率的关系,可以控制电容耦合的参数有三个：两个导体之间的电容C12 ，接收导体对参考地的电阻R ，接收电路对参考地的电容C2G 。其中，前两个参数在实践中最重要。在实践中，常通过降低接收电路的电阻来减小电容耦
10、合。,VN = j R C12 V1,29,屏蔽层不接地：相当于R无限大，应用R很大时的前面公式 VN = VS =V1 C1S / ( C1S + CSG ) ，与无屏蔽相同 屏蔽层接地（此时R0）时：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果,C1s,C1G,CsG,C1G,CSG,C1s,Vs,V1,V1,Vs,C2S,屏蔽对电容耦合的影响全屏蔽,30,R 很大时：VN = V1 C12 / ( C12 + C2G + C2S ) ,R 很小时：VN = jRC12,部分屏蔽对电容耦合的效果,C12的大小取决于导体2在屏蔽体外的长度。要减小C12，就要使暴露出屏蔽层的导体长度尽量短,3
11、1,定义： 自感L 1 / I1 ， 互感 M 12 / I1, 1 是电流I1在回路1中产生的磁通， 12 是电流I1在回路2中产生的磁通,回路1,回路2,a,b,a,M = （ / 2 ）lnb2/（b2- a2）,互电感定义与计算,32,电感耦合,VN d12 / dt = d(MI1)/dt = M dI1 / dt,减小互感耦合的方法：M = （ / 2 ）lnb2/（b2- a2） 1 增加两个回路之间的距离； 2 减小第一个回路产生的磁通密度（在电流幅度不变的情况下），例如将第一个回路的两根长导线用双绞线； 3 减小接收回路的面积； 4 调整两个回路的相对位置、角度关系。,33,
12、电感耦合与电容耦合的判别,区分方法：测量导体一端的噪声电压，同时调整导体另一端对地的阻抗，若测量电压值随阻抗增加而增加，则为电容耦合，若变化方向相反，则为电感耦合。,由电容耦合噪声可看成是并联在接收导体与地之间的电流源， 电感耦合噪声可看成是串联在接收导体中的一个电压源。,34,屏蔽对电感耦合的影响,关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变,I1,M1S,M12,如屏蔽体两端接地，在屏蔽层与地构成的回路中会产生感应电流。感应电流产生新的磁场将叠加在原来的12上，由于12 12 ，因此，这个屏蔽措施的引入改变了互感，因此可以断定这种屏蔽对互感耦合有影响。,35,双端接地屏蔽层的分析,V12 = j
13、 M12 I1 VS2 = j MS2 IS VN = V12 + VS2,求解这项,根据电磁感应定律，IS的方向与I1 的方向相反，因此 V12的方向与VS2的方向相反，两者相抵消。因此减小了耦合电压VN 。,36,VS2项求解,+,+,+,+,+,+,+,+,+,LS = / IS MS2 = / IS 因此：LS = MS2,导体2,屏蔽层,VS2 = j MS2 I S = j MS2 ( V S / ZS) = j LS V S / ( jLS+RS ) = VS j / ( j+RS/LS),37,屏蔽后的耦合电压,VN = V12 + VS2,V12 = j M12I1 VS =
14、 j M1SI1 因为：M12 = M1S 所以：VS = j M12I1 所以：VS2 = j M12I1 j / ( j+RS / LS),VN = V12 - V12 j / ( j+RS / LS) = V12 (RS / LS) / ( j+RS / LS),V12,38,屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果,当频率很低时（ j Ls Rs ）： VN = V12 ，与无屏蔽作用,当频率较高时（ j Ls Rs ）：VN = = M12I1 ( Rs / Ls ) 感应电压不随频率增加而增加，保持一个常数，差值就是屏蔽效果。,39,长线上的耦合电压,电缆与波长相比较短时电场耦合和磁场耦合电压都随着频率的升高增加。当电缆较长时，这个结论不再正确。,40,电缆的辐射干扰,作业题（2）,1.电缆屏蔽适合于什么场合使用？低频和高频电缆哪种接法抗电磁干扰能力最强？ 2.
