电缆的干扰问题与对策

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1、电缆的干扰问题与对策电缆是电磁兼容设计中的关键环节，大部分电磁干扰敏感问题、电磁干扰发射问题、信号串 扰问题是电缆产生的。电缆之所以容易产生各种电磁干扰问题，主要有以下几个原因。(1) 电缆本身是一根高效的接收天线，能够接收到空间的电磁干扰，将干扰能量传进设备电 路，造成干扰；(2) 电缆是一根高效的辐射天线，能够将电路中的干扰辐射到空间，造成辐射发射超标；(3) 电缆中的导线相互平行，并且靠得很近，导线之间具有很大的寄生电容和互感，这 些电容和互感是导致串扰的根本原因；(4) 电缆连接的设备接地电位不同，电缆屏蔽层引进地线干扰。前三个情况是很直观的，第四个情况如图1所示。在图1中，两个设备的

2、地线电位不同，因此产生了电位差，在这个电位差的驱动下，会在电 缆屏蔽层中产生电流。由于屏蔽层与内部导线之间有电容和互感，因此屏蔽层上的电流可以在内 导线上感应出噪声电压。如果两根信号线是平衡的，噪声电压相同，在输入电路上没有噪声电压。 但是电路通常都不是平衡的，会在两根导线上产生不同的电压，这样就产生了噪声电压。这种地 线干扰是大系统中的常见现象，解决方法是尽量使地线电位相同，或者将电缆屏蔽层的一端与地 线断开，消除电缆屏蔽层中的电流。导线之间的串扰与对策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，对与这根信号线连接的 电路造成干扰。这种现象经常发生在平行的导线之间。在设计电缆

3、时，要特别注意这种现象。尤 其是当导线上传输的是低电平模拟信号时，临近导线对其产生的串扰是造成系统性能下降的主要 原因。因此，在系统设计中，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 生的串扰最小。当发现电路中存在干扰时，首先要检查的干扰源应该是串扰，看看这种干扰信号是否从附近 的电路中串扰产生的，判断方法有以下几个。(1) 如果可能，将可能是干扰源的临近导线上的传输信号暂时去掉，如果干扰消失，就可以 确定干扰是由临近信号串扰产生的；(2) 降低潜在干扰源信号的频率，比如可以在潜在干扰信号的输出端对地并联一只电容，如 果干扰消失或减小，可以确定干扰时从这路信号上串扰过来的；(3

4、) 用双踪示波器同时观测干扰信号和潜在的干扰源信号，如果干扰信号近似是干扰源信号 的微分，可以确定干扰源；(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。串扰电压的估算对于两根平行的导线，当电缆的长度与波长相比很短(小于1/20波长)时，可以用集总参 数模型来描述电容耦合，如图2所示。这样就可以用电路分析的方法来计算串扰电压。计算的结 果如下。频率很低时，R远小于C12和C2G构成的阻抗，即R1/j3(C12+C2G)+，在这个条件下， 串扰电压为：VN=V1C12/(C12+C2G)从公式中可以看出，电容耦合的强度与频率和

5、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结构直接相关。导线之间的互感性串扰如图3所示，当回路1中有电流I流过时，不仅会在回路1中产生磁 通，而且会在电路2中产生磁通12，回路2中的磁通量12与电流I1之间通过一个系数M 来确定，这个M就是互感。M912/I1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，12在回路2中产生了感应电压，电压值为：VN = dg2/dt=M.dI1/dt这说明回路1中的能量耦合进了回路2形成干扰电压，并且这个电压是回路1中电流的微分。消除串扰的方法从上面的串扰电压公式中可以看出

6、哪些参数对串扰电压有影响，在实际工程中可以采取下面 一些具体措施来控制这些参数。减小电容性串扰的方法如下。(1) 将受干扰导线屏蔽起来，并将屏蔽层接到受干扰电路的公共地上，就可以减小电容性串 扰，屏蔽层应尽量完整(使芯线暴露出来的部分尽量短)，当干扰电压的频率较高(入20L)时， 需要将屏蔽层多点接地；增加导线之间的距离(减小C12)；将受干扰导线靠近参考地(增加C2G)；(4)可能时，在受干扰电路的输入端安装对地的电容；减小电感性串扰方法如下。(1) 增加两个回路之间的距离，第二个回路中的磁通量自然会减少；(2) 使回路1的信号线与回线尽量靠近(从图3中看出，回路1的信号线与回线在回路2中

7、产生的磁通方向相反，因此相互抵消)；(3) 减小回路2的面积；(4) 调整两个回路的相对位置、角度关系。电缆辐射与外界干扰的对策设备上的电缆是导致设备产生超标辐射的主要因素之一，无论在做EMC试验还是在现实环 境中，往往会发现，当设备上没有电缆时，电磁干扰问题要好得多，这是因为电缆是高效率的天 线。对于天线而言，接收特性和辐射特性是对称的，一根接收效率高的天线，辐射效率也高。因 此下面仅讨论怎样减小电缆的辐射问题，当对电缆采取了这些措施以后，电缆接收外界干扰的问 题也就同时解决了。电缆产生辐射机理如图4所示，主要有三种机理。信号线与回线构成的电流回路产生的辐射(称为差模辐射)；信号线流到负载的

8、电流并没有全部通过地线流回，一部分通过其他路径(例如大地)流 回，形成了一个不可预见的电流环路，产生辐射(称为共模辐射)；(3) 由于信号线以及信号地线与大地或其他参考物体之间有电位差，形成了电流回路，产生 辐射(共模辐射)；(4) 机箱内其他电路辐射的电磁能量感应到电缆上，产生了电压和电流，导致电缆辐射(共 模辐射)。一般，电缆中信号线与回线之间的环路电流的不是产生辐射的主要原因，信号线和信号回线 之间的距离很近，由于它们上面流过的电流方向相反，因此它们在空间的辐射是相互抵消的。后 三种共模辐射才是电缆辐射的主要原因。减小电缆辐射的方法(1) 控制电缆长度，在满足使用要求的前提下，使用尽量短

9、的电缆，但是当电缆的长度不能 减小到最高辐射频率波长的一半以下时，减小电缆长度没有明显效果；(2) 在电缆上使用适当的共模扼流圈，最简单的方法是套一个铁氧体磁环；(3) 布线路板时，使周期性信号远离I/O接口电路，并将I/O接口电路部分的地线与线路板上 的其他地线隔离开，仅在一点连接；(4) I/O接口电路部分的地线与金属机箱之间做射频搭接；(5) 对机箱内的I/O电缆(从线路板到连接器的部分)进行屏蔽；(6) 使机箱内的I/O电缆(从线路板到连接器的部分)长度尽量短；(7) 使用共模低通滤波器，最好是安装面板上的形式(例如滤波连接器)；(8) 使用屏蔽电缆，但要注意电缆屏蔽层的端接方法和端接位置，端接得不好可能会增加电 缆的辐射；使用平衡电路。