为保障EMC所采取的技术措施大体可归为两类:
在设计电路、设备、系统时就注意相互干扰最小的元器件和电路,并在结构上合理布局;
采用接地、屏蔽、滤波等技术,降低所产生的干扰电平,增加干扰在传播途径的衰减。
接地、屏蔽、滤波是抑制电磁干扰的三大技术,虽然每一种方法都发挥着其独到的作用,但三者是互相关联的。
本文讨论的是电缆屏蔽层的接地问题。一般来说,在电路接地中用到的“单点接地”、“多点接地”等概念,同样适用于对电缆屏蔽层接地的讨论。
通常大家认为:”低频时,采用单点接地;高频时,采用多点接地“。但是电缆屏蔽层是否接地、在何处接地、该如何接地,都会影响电缆屏蔽层抑制干扰的能力,这是一个并不简单的问题。
对于为什么“低频单点接地,高频多点接地“,朋友们可以回看这篇文章。
飞机电气线路互联系统(EWIS) EMC之单层电缆屏蔽层接地问题探究
二 、“低频路理论,高频场理论“
研究EMC问题的工程师都会使用“场理论“和”路理论“,那么何时用场?何时用路?
可以用路理论的必要条件:研究对象的物理尺寸远小于波长,即<波长的1/100;
必须用场理论的充分条件:研究对象的物理尺寸可以和波长相比拟,即>波长的1/10;
波长的1/100~1为绝大多数电气工程师的场路混用“模糊区”;
例如电力电子领域一般使用传统的路理论进行分析,高速连接器、微波工程师则一般使用较为繁琐的场理论;
飞机电气线路互联系统(EWIS)中,一般认为低频指100KHZ及以下,高频为1MHZ及以上,对于100KHZ-1MHZ的频率,属于“模糊区”。
三 、理论分析——低频电缆的屏蔽层在哪一端单点接地
对于低频电路所使用的屏蔽电缆,原则上要使用单点接地,如果接地点超过一处,就有可能有噪声干扰到信号电路。那么这个接地点该选在哪一端呢?对于信号源和放大器之间使用屏蔽电缆连接的情况,采用单点接地时,可以在信号源端接地,也可以在放大器端接地。此时,要考虑电路接地的情况,分开讨论。
3.1 对于信号源不接地,放大器接地电路的理论分析
图1 屏蔽层可能的四种接地位置
如图1所示,对于信号源端不接地,放大器端接地的电路,屏蔽层的接地点有A,B,C,D四种接地选择,即A信号源端参考点接地、B信号源端接地点接地、C放大器端参考点接地、D放大器端接地点接地。
UG1为放大器端参考点与接地点之间的电位差,UG2为两个接地点的电位差。
下面分开讨论:
A 屏蔽层在信号源端参考点接地:显然,这是最差的决定,会将屏蔽层上的干扰电流引入到放大器的输入端,进而影响输出端的正常信号电压,此种接法不合适;
B 屏蔽层在信号源端接地点接地:此时等效电路如图2所示。可以看出,Un为C12、C1S、UG1、UG2组成的电路中C12上的分压,此种接法不合适;
图2 屏蔽层在信号源端接地点接地的等效电路
C 屏蔽层在放大器参考点接地:此时等效电路如图3所示。很明显Un不受UG1与UG2的影响。此种接法较好。
图3 屏蔽层在放大器参考点接地时的等效电路
D 屏蔽层在放大器接地点接地:此时等效电路如图4所示。很明显可以看出,Un为C12在C12,C1S,UG1组成的串联电路下的分压。这种接法不合适。
图4 屏蔽层在放大器接地点接地的等效电路
3.2 对于放大器不接地、信号地接地电路的理论分析
如图5所示,对于信号源端接地,放大器端不接地的电路,屏蔽层的接地点有A,B,C,D四种接地选择,即A信号源端参考点接地、B信号源端接地点接地、C放大器端参考点接地、D放大器端接地点接地。
UG1为信号源端参考点与接地点之间的电位差,UG2为两个接地点的电位差。
下面分开讨论:
很显然接线C是不合适的,会将屏蔽层的噪声电流引入放大器输入端,产生一个干扰电压叠加于信号电压上。
由上文的分析经验可知,对于放大器不接地而信号源接地的情形,唯一可行的办法是把屏蔽层经过接线A进行接地,即把屏蔽层接在信号源的公共参考点上。
小结:通过理论分析可以得出结论,对于低频电路中的屏蔽层,信号源和放大器哪一端接地,则屏蔽层就在哪一端的电路参考点接地,且尽可能短的介绍接地距离(减少UG1和UG2的值)。
四 、高频电缆屏蔽层的接地
当工作频率高于1MHZ或导体长度超过工作波长的1/20时,电缆屏蔽层必须使用多点接地,以保证屏蔽效果。(引用自Boeing设计规范)
对于较长的电缆,一般要求每隔0.1倍波长接地一次,这样可以有效防止电缆屏蔽体上出现高频噪声电压。
图6 高频下杂散电容会造成地环流
图6中电路的屏蔽层采用一种混和接地的形式,以改善电路屏蔽效果,频率低时,电容的阻抗较大,故电路贴近于单点接地,当频率较高时,电容的阻抗较低,电路贴近于多点接地。这种电路的接地方法适用于较宽频率范围内的工作电路。
五 、工程指导意见
1 减少焊锡环和屏蔽引线的使用
据统计,某军用飞机上,单架次飞机焊锡环的使用量超过10000个。绝大部分屏蔽线缆都采用双端接地,而屏蔽的引出方式都使用焊锡环。
大量的焊锡环,造成线束组件产品端头部位臃肿,影响美观性和安装。而根据之前的理论分析,很多电路没有必要进行双端接地,且使用焊锡环进行接地,对线缆屏蔽效能的削弱很大。
如果电缆需要屏蔽,则屏蔽层的完整性在连接器处必须得以保证。通常的“屏蔽引线”端接方式在干扰频率高于1MHz或者脉冲上升时间低于0.15ms时应该避免使用。最好采用后端完全搭接的连接器进行屏蔽端接。——引用自波音设计规范。