電纜的電磁干擾分析

在電子設備和系統中，各種電纜是信號傳輸必不可少的聯(lián)系紐帶，同時(shí)電纜又是導致各種電磁兼容（EMC）問(wèn)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(zhù)干擾電流。介紹了2 種干擾電流，結合電磁兼容測試中經(jīng)常出現的問(wèn)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(guò)試驗驗證了方法的可操作性，對產(chǎn)品設計提供參考。

1 干擾電流

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

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

通常線(xiàn)路上的差模分量和共模分量是同時(shí)存在的，而且由于線(xiàn)路的阻抗不平衡，2 種分量在傳輸中會(huì )互相轉變。干擾在線(xiàn)路上經(jīng)過(guò)長(cháng)距離的傳輸后，差模分量的衰減要比共模分量大，因為線(xiàn)間阻抗與線(xiàn)地阻抗不同的緣故。

共模干擾的頻率一般分布在1 MHz 以上，在傳輸的同時(shí)，會(huì )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(guò)程中產(chǎn)生的噪聲電流直接傳導到電纜中，然后再傳導至其他電路或設備使之受到影響。

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：改變電路結構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)入其他設備或電路造成干擾。

電路結構的設計需要基本經(jīng)驗知識的累積，電磁兼容性好的電子器件價(jià)格經(jīng)常比同類(lèi)產(chǎn)品高出很多，而且實(shí)際效果與具體使用情況有關(guān)，因此設計時(shí)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線(xiàn)上的流通，所以對通過(guò)載流導線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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備； 也可以通過(guò)空間電場(chǎng)輻射直接干擾其他設備。

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

2. 2. 1 電容耦合和互感耦合
當一根導線(xiàn)上存在電壓或有電流流過(guò)時(shí)， 就會(huì )有電磁能量輻射出來(lái)， 到達附近的導線(xiàn)上， 這就是導線(xiàn)之間的串擾。串擾屬于近場(chǎng)的感應耦合， 原因是導線(xiàn)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(gè)導體之間存在分布電容C12，2 根導線(xiàn)之間就存在電壓，也就是說(shuō)電壓是串聯(lián)于受擾導線(xiàn)的。導體對地有單位長(cháng)度分布電容C1G、C2G, 導體之間單位長(cháng)度分布電容為C12， 導體之間的分布電容也稱(chēng)耦合電容。不考慮C1G的情況下，干擾電源U1 在導體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(guò)減小Z2 和增加X(jué)C 的值來(lái)實(shí)現。具體方法如下：
①減小受擾導線(xiàn)對地的電阻R；
②減小分布電容C12。2 個(gè)導線(xiàn)平行時(shí)電容最大，而方向改為垂直時(shí)，電容最小。在一定范圍內增加導線(xiàn)之間的距離和減小導線(xiàn)的長(cháng)度都可以減小導線(xiàn)間的電容；
③使受擾導線(xiàn)接近地線(xiàn)，或在接收導線(xiàn)的鄰近設置地線(xiàn)，從而增大C 2G的電容。

另外，將受擾導線(xiàn)屏蔽也可以減小導線(xiàn)間的電容耦合。

電感耦合原理如圖1（b）所示，當干擾回路1 中有交變電流流過(guò)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生交變磁能，交變磁通穿過(guò)回路2 并在回路2 中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，可表示為：

式中，M 為2個(gè)電路間的互感，M=Φ / I1（H），Φ為電流I 1 流過(guò)電路2 時(shí)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，感應電動(dòng)勢主要與互感耦合相關(guān)，減小Φ 的值可以使互感耦合變弱，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(xiàn)與回線(xiàn)盡量靠近， 如使用雙絞線(xiàn)或同軸電纜；
② 磁場(chǎng)隨距離的增加衰減非?？?， 可以增加施擾導線(xiàn)與受擾導線(xiàn)的之間的距離。也可以調整2 個(gè)回路之間的相對角度。

避免信號返回線(xiàn)路共享共同的路徑，也可以減少電感串擾。

2. 2. 2 空間輻射
線(xiàn)纜之所以會(huì )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動(dòng)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(xiàn)，產(chǎn)生電場(chǎng)輻射。

共模電場(chǎng)輻射可用對地電壓激勵的、長(cháng)度小于1/ 4波長(cháng)的短單極天線(xiàn)來(lái)模擬。對于接地平面上長(cháng)度為L(cháng) 的短單極天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，在遠場(chǎng)r 處的電場(chǎng)強度為：

式中，L 為天線(xiàn)長(cháng)度（m）。

從式（3）中可以看出，共模電場(chǎng)輻射與頻率f 、共模電流I 及天線(xiàn)長(cháng)度L 成正比，分別限制f、I 、L可以使共模電場(chǎng)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(xiàn)的源電壓，即地電位，電纜靠近接地平板走線(xiàn)；
②在設備內部，電纜長(cháng)度盡可能短，避免環(huán)繞電路走線(xiàn)；
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(xiàn)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 測試結果分析

差模干擾測試結果如圖2 所示。圖2（a）是開(kāi)關(guān)電源的工作頻率及其高頻諧波分量造成的電源線(xiàn)傳導發(fā)射超標，其中200 kHz 的尖峰是開(kāi)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(xiàn)。

圖2 減小差模干擾測試曲線(xiàn)

減小電容耦合和互感耦合測試曲線(xiàn)如圖3 所示。因為電容耦合和互感耦合的存在，經(jīng)常出現圖3（a）這樣的測試結果。這是因為電源線(xiàn)濾波器的輸入輸出線(xiàn)捆成一束，濾波器輸出線(xiàn)上的雜波電流直接通過(guò)電容和互感耦合到輸入線(xiàn)上，使濾波器形同虛設。解決這一問(wèn)題只需將濾波器的輸入輸出線(xiàn)分別截短并盡可能遠離，保持一定角度，并將線(xiàn)固定在機箱殼體上，這樣就使得輸入線(xiàn)輸出線(xiàn)上的干擾電流不能直接耦合，電源線(xiàn)經(jīng)過(guò)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(xiàn)

減小空間輻射測試曲線(xiàn)如圖4 所示。圖4（a）是一臺外接