第6章-電磁兼容課件-電纜

1電纜的EMC設(shè)計(jì)

研究生學(xué)位課－電磁兼容（6）2主要內(nèi)容

電磁場(chǎng)在電纜線上的感應(yīng)噪聲

電纜之間的串?dāng)_電纜的輻射干擾3處于電磁場(chǎng)中的電纜Sh

差模電流

共模電流

所有的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定了電纜的傳導(dǎo)敏感性試驗(yàn)實(shí)際是空間電磁場(chǎng)對(duì)電纜干擾性的試驗(yàn)電磁場(chǎng)對(duì)電纜的影響分為：在信號(hào)回路中的差模干擾電流，在電纜與大地回路間的共模干擾電流4差模電壓和共模電壓差模電壓

電場(chǎng)產(chǎn)生電壓的原理是導(dǎo)線處于不同的電位點(diǎn)，而磁場(chǎng)是通過(guò)回路中的磁通時(shí)變。電纜中信號(hào)線和回線間距極小，線間電壓和磁感應(yīng)電壓幾乎為零。因此，差模干擾電壓無(wú)需考慮。電路的干擾主要來(lái)自差模電壓和電流，而差模感應(yīng)電壓又很小，差模干擾電壓是在電路不平衡時(shí)，共模電壓轉(zhuǎn)換到差模干擾電壓的結(jié)果Sh5

電磁場(chǎng)在電纜上的感應(yīng)電壓10kHz100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz

0-10-20-30-40-50123ABCDEh=0.5mL:A=100mB=30mC=10mD=3mE=1m與L、h無(wú)關(guān)dBV1V/m場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生的電壓

隨頻率增加，感應(yīng)電壓增大，線越長(zhǎng)，感應(yīng)越大6平衡電路的抗干擾特性電磁場(chǎng)V1V2I1I2VD平衡性好壞用共模抑制比表示：

CMRR=20lg(VC/VD)VC高頻時(shí)，由于寄生參數(shù)的影響，平衡性會(huì)降低如果電路的共模抑制比為60dB，則1000V的共模電壓在電路的輸入端只能產(chǎn)生1V的差模電壓。該電路的抗雷電等產(chǎn)生的共模干擾的性能很好。

CMRR

7提高共模干擾抑制比的方法平衡電路屏蔽電纜CMRRf共模扼流圈平衡電路CMRR共模抑制比的高頻率性好屏蔽電纜頻率特性共模扼流圈8

屏蔽靜（低頻）電場(chǎng)0V電纜長(zhǎng)度</20，單點(diǎn)接地(輸出端接地）電纜長(zhǎng)度>/20，多點(diǎn)接地9回路面積AVNVN

＝(d/dt)=A(dB/dt)磁通感應(yīng)電壓當(dāng)面積一定時(shí)

磁場(chǎng)對(duì)電纜的干擾由于外界干擾場(chǎng)的頻率和強(qiáng)度是不受控的，應(yīng)盡量減小回路的面積。10～理想同軸線的信號(hào)電流與回流等效為在幾何上重合，因此電纜上的回路面積為0，整個(gè)回路面積僅有兩端的部分～減小感應(yīng)回路的面積兩個(gè)相鄰的回路上感應(yīng)出的電流具有相反的方向，因此相互抵銷(xiāo)。雙絞線的絞節(jié)越密，則效果越明顯。當(dāng)屏蔽層兩端接地時(shí)，外界磁場(chǎng)在原來(lái)信號(hào)與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流的同時(shí)，也在屏蔽層與地線構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流Is，感應(yīng)出的Is也會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，但是這個(gè)磁場(chǎng)與原來(lái)的磁場(chǎng)磁場(chǎng)方向相反，相互抵消，導(dǎo)致總磁場(chǎng)減小，減小了干擾。屏蔽電纜減小磁場(chǎng)影響VSVSVS只有兩端接地的屏蔽層才能屏蔽磁場(chǎng)121001M1M1M100100每米18節(jié)(A)(B)(D)(E)(C)0271313281M1M100100抑制磁場(chǎng)干擾的試驗(yàn)數(shù)據(jù)單端接地非磁性材料的屏蔽套磁性材料的屏蔽套雙絞線/單端接地屏蔽層兩端接地結(jié)構(gòu)A：在信號(hào)線上套一個(gè)非磁性材料的屏蔽套，并且單點(diǎn)接地。對(duì)于磁場(chǎng)而言，當(dāng)非磁性材料的屏蔽層單點(diǎn)接地時(shí)，信號(hào)回路中的磁場(chǎng)沒(méi)有變化，因此磁場(chǎng)感應(yīng)是相同的，即這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有屏蔽效果。這種情況屏蔽效果定義為0dB，作為參考點(diǎn)。1001M(A)0dB非磁性材料的屏蔽套結(jié)構(gòu)B：將A中的屏蔽層兩端接地。這時(shí)就能夠提供一定的屏蔽效能了。因?yàn)橛善帘螌优c地平面構(gòu)成的環(huán)路中也感應(yīng)了電流，這個(gè)電流產(chǎn)生了一個(gè)與原磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，使信號(hào)回路中的磁場(chǎng)減弱，感應(yīng)噪聲減小。1M100(B)27dB磁性材料的屏蔽套結(jié)構(gòu)C：雙絞線本應(yīng)提供較好的屏蔽效果（由于相鄰絞節(jié)中感應(yīng)的電流方向相反，相互抵消），但由于電路兩端接地，實(shí)際的感應(yīng)回路并不小，因此效果較差。1M100每米18節(jié)(C)13dB結(jié)構(gòu)D：在雙絞線上加了一個(gè)單端接地單端接地的屏蔽層，由于單端接地的屏蔽層對(duì)磁場(chǎng)沒(méi)有屏蔽效果，因此并沒(méi)有改善雙絞線的屏蔽效能。(D)13dB1M100單端接地雙絞線/單端接地結(jié)構(gòu)E：將屏蔽層兩端接地后，同B一樣，屏蔽層中的電流產(chǎn)生的反磁場(chǎng)削弱了原磁場(chǎng)，屏蔽效能有所提高。(E)28dB1M100屏蔽層兩端接地18抑制磁場(chǎng)干擾的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1001M1M1M100100每米18節(jié)(F)(G)(I)(J)(H)80557063771M1M100100電纜的屏蔽層作為回流路徑，大大減小了感應(yīng)回路的面積雙絞線H中的屏蔽層兩端接地H中的屏蔽層單端接地結(jié)構(gòu)F：電路只在單點(diǎn)接地，利用電纜的屏蔽層作為回流路徑，大大減小了感應(yīng)回路的面積，因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同軸電纜回路面積為0，不會(huì)感應(yīng)上任何噪聲電壓。實(shí)際同軸電纜的屏蔽效果取決于芯線與外層軸心的偏差。1001M(F)80dB結(jié)構(gòu)G：雙絞線由于具有很小的感應(yīng)回路，并且相鄰絞節(jié)中的感應(yīng)電流對(duì)消，因此表現(xiàn)出較高的磁場(chǎng)屏蔽效果。實(shí)際的抑制效果比55更高，因?yàn)檫@里有些電場(chǎng)感應(yīng)了進(jìn)來(lái)。這從結(jié)構(gòu)H可以看出。1M100每米18節(jié)(G)55dB在結(jié)構(gòu)H中，單端接地的屏蔽層抑制了電場(chǎng)感應(yīng)，是屏蔽效果提高到70。1M100(H)70dB雙絞線結(jié)構(gòu)I：將H中的屏蔽層兩端接地后，導(dǎo)致屏蔽效能下降。這是因?yàn)槠帘螌觾啥私拥睾螅谄帘螌由袭a(chǎn)生了感應(yīng)電流，這個(gè)電流在雙絞線上感應(yīng)出電流，由于電路不是平衡的，導(dǎo)致產(chǎn)生差模電壓。(I)63dB1M100H中的屏蔽層兩端接地結(jié)構(gòu)J：將H中的屏蔽層非接地的一端接到電路公共端，進(jìn)一步提高了屏蔽效能，但沒(méi)有達(dá)到F的水平，因?yàn)镕中的電纜是同軸電纜，具有很小的感應(yīng)回路。問(wèn)題：結(jié)構(gòu)H的屏蔽效能比結(jié)構(gòu)G提高了一些，這是因?yàn)閱味私拥氐钠帘螌酉藢?shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生的附加額外的電場(chǎng)，為什么結(jié)構(gòu)I的屏蔽效能沒(méi)有比結(jié)構(gòu)J的屏蔽效能提高？(J)77dB1M100H中的屏蔽層單端接地24導(dǎo)線之間兩種串?dāng)_機(jī)理MCICICILILR0RLR2GR2L接收導(dǎo)線的兩端情況是不同的，在靠近信號(hào)源的一端，電容耦合產(chǎn)生的電流與電感耦合產(chǎn)生的電流方向相同，幅度疊加，而在遠(yuǎn)離信號(hào)源的一端，電容耦合產(chǎn)生的電流與電感產(chǎn)生的電流方向相反，幅度抵消。因此，近端的干擾較強(qiáng)。25耦合方式的粗略判斷ZSZL<3002：磁場(chǎng)耦合為主ZSZL>10002：電場(chǎng)耦合為主其它情況難說(shuō)，取決于幾何結(jié)構(gòu)和頻率源電路阻抗ZS，接收電路的阻抗ZL26電容耦合模型C12VN＝j(luò)[C12/(C12+C2G)]j+1/R(C12+C2G)]V1C1GC2GRV1C12C1GC2GRV1VN27R<<1/[j(C12+C2G)]j[C12/(C12+C2G)]j+1/R(C12+C2G)]V1VN＝VN=jRC12V1

R>>1/[j(C12+C2G)]VN=V1[C12/(C12+C2G)]耦合公式化簡(jiǎn)頻率很低的情況頻率、被干擾導(dǎo)體對(duì)地電阻、兩導(dǎo)體之間的電容成正比頻率很高的情況與頻率和電路的阻抗都無(wú)關(guān)。而僅與兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容和接收導(dǎo)體與地之間的電容有關(guān)28耦合電壓VN=jRC12V1C12V1(C12+C2G)VN=1/R(C12+C2G)頻率

電容耦合與頻率的關(guān)系可以控制電容耦合的參數(shù)有三個(gè)：兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容C12，接收導(dǎo)體對(duì)參考地的電阻R

，接收電路對(duì)參考地的電容C2G

。其中，前兩個(gè)參數(shù)在實(shí)踐中最重要。在實(shí)踐中，常通過(guò)降低接收電路的電阻來(lái)減小電容耦合。VN=jRC12V1C12C1GC2GRV129屏蔽層不接地：相當(dāng)于R無(wú)限大，應(yīng)用R很大時(shí)的前面公式

VN=VS=V1[C1S/(C1S+CSG)]，與無(wú)屏蔽相同屏蔽層接地（此時(shí)R＝0）時(shí)：VN=VS=0，具有理想的屏蔽效果C1sC1GCsGC1GCSGC1sVsV1V1VsC2S屏蔽對(duì)電容耦合的影響－全屏蔽30R很大時(shí)：VN=V1[C12/(C12+C2G+C2S

)]C1sC1GCsGCSGC1sVNV1V1VNC2SC12C12C2GR很小時(shí)：VN=jRC12

部分屏蔽對(duì)電容耦合的效果C12的大小取決于導(dǎo)體2在屏蔽體外的長(zhǎng)度。要減小C12，就要使暴露出屏蔽層的導(dǎo)體長(zhǎng)度盡量短31定義：自感L＝

1/I1

，互感M＝

12/I1

1

是電流I1在回路1中產(chǎn)生的磁通，

12是電流I1在回路2中產(chǎn)生的磁通回路1回路2abaM=（/2）ln[b2/（b2-a2）]互電感定義與計(jì)算32電感耦合VN＝d12/dt=d(MI1)/dt=MdI1/dtMR2RR1RR2R1I1VNI1VNV1V1減小互感耦合的方法：M=（/2）ln[b2/（b2-a2）]1增加兩個(gè)回路之間的距離；2減小第一個(gè)回路產(chǎn)生的磁通密度（在電流幅度不變的情況下），例如將第一個(gè)回路的兩根長(zhǎng)導(dǎo)線用雙絞線；3減小接收回路的面積；4調(diào)整兩個(gè)回路的相對(duì)位置、角度關(guān)系。33IN=j

C12V1R2R1VVVN=jM12I1R2R1～電容耦合電感耦合電感耦合與電容耦合的判別

區(qū)分方法：測(cè)量導(dǎo)體一端的噪聲電壓，同時(shí)調(diào)整導(dǎo)體另一端對(duì)地的阻抗，若測(cè)量電壓值隨阻抗增加而增加，則為電容耦合，若變化方向相反，則為電感耦合。

由電容耦合噪聲可看成是并聯(lián)在接收導(dǎo)體與地之間的電流源，電感耦合噪聲可看成是串聯(lián)在接收導(dǎo)體中的一個(gè)電壓源。34屏蔽對(duì)電感耦合的影響關(guān)鍵看互感是否由于屏蔽措施而發(fā)生了改變I1M1SM12如屏蔽體兩端接地，在屏蔽層與地構(gòu)成的回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生新的磁場(chǎng)將疊加在原來(lái)的12上，由于12′12

，因此，這個(gè)屏蔽措施的引入改變了互感，因此可以斷定這種屏蔽對(duì)互感耦合有影響。35雙端接地屏蔽層的分析V12=jM12I1VS2=jMS2ISVN=V12+VS2

M1SM12MS2+--+~V12VS2導(dǎo)體1導(dǎo)體2屏蔽體I1IS求解這項(xiàng)根據(jù)電磁感應(yīng)定律，IS的方向與I1

的方向相反，因此V12的方向與VS2的方向相反，兩者相抵消。因此減小了耦合電壓VN

。36VS2項(xiàng)求解+++++++++

LS=/IS

MS2=/IS

因此：LS=

MS2

導(dǎo)體2屏蔽層VS2=j

MS2IS=j

MS2(VS/ZS)=j

LS[VS/(jLS+RS)]=

VS[j/(j+RS/LS)]37屏蔽后的耦合電壓VN=V12+VS2V12=jM12I1VS=jM1SI1因?yàn)椋篗12=M1S所以：VS=jM12I1所以：VS2=

jM12I1[j/(j+RS/LS)]