電纜的電磁干擾分析

在電子設(shè)備和系統(tǒng)中，各種電纜是信號傳輸必不可少的聯(lián)系紐帶，同時電纜又是導(dǎo)致各種電磁兼容（EMC）問題的主要因素。電纜造成電磁干擾（EMI）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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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。

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：

式中：

Z2 為C2G 的容抗與R 的并聯(lián)，即：

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：

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：

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(jìn)行衰減，圖2（b）是使用濾波器后的效果曲線。

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。

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