第6章_电磁兼容课件-电缆

1、1电缆的电缆的EMCEMC设计设计 研究生学位课电磁兼容研究生学位课电磁兼容（6 6）2主主 要要 内内 容容n 电磁场电磁场在电缆线上的感应噪声在电缆线上的感应噪声n 电缆之间的串扰电缆之间的串扰n 电缆的辐射干扰电缆的辐射干扰3处于电磁场中的电缆Sh 差模电流差模电流 共模电流共模电流p 所有的电磁兼容标准中均规定了电缆的传导敏感性试验 实际是空间电磁场对电缆干扰性的试验p 电磁场对电缆的影响分为：在信号回路中的差模干扰电差模干扰电 流流，在电缆与大地回路间的共模干扰电流共模干扰电流4差模电压和共模电压差模电压和共模电压n差模电压差模电压 电场产生电压的原理是导线处于不同的电位点，而磁场是

2、电场产生电压的原理是导线处于不同的电位点，而磁场是通过回路中的磁通时变。电缆中信号线和回线间距极小，通过回路中的磁通时变。电缆中信号线和回线间距极小，线间线间电压电压和磁感应电压几乎为零。因此，差模干扰电压无需考虑。和磁感应电压几乎为零。因此，差模干扰电压无需考虑。u电路的干扰主要来自差模电压和电流，而电路的干扰主要来自差模电压和电流，而差模感应电压又很小，差模干扰电压是在电路不平衡时，共差模干扰电压是在电路不平衡时，共模电压转换到差模干扰电压的结果模电压转换到差模干扰电压的结果Sh5 电磁场在电缆上的感应电压电磁场在电缆上的感应电压10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz

3、 1GHz 10GHz 0-10-20-30-40-50123ABCDEh = 0.5mL: A = 100m B = 30m C = 10m D = 3m E = 1m与与 L、h 无关无关dBV1V/m场强产生的电压场强产生的电压 随频率增加，感应电压增大，线越长，感应越大随频率增加，感应电压增大，线越长，感应越大6平衡电路的抗干扰特性平衡电路的抗干扰特性电磁场V1V2I1I2VD平衡性好坏用共模抑制比表示： CMRR = 20lg ( VC / VD )VC 高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低如果电路的共模抑制比为60dB，则1000V的共模

4、电压在电路的输入端只能产生1V的差模电压。该电路的抗雷电等产生的共模干扰的性能很好。 CMRR 7提高共模干扰抑制比的方法提高共模干扰抑制比的方法平衡电路屏蔽电缆CMRRf共模扼流圈平衡电路CMRR共模抑制比的高频率性好屏蔽电缆频率特性共模扼流圈8 屏蔽静（低频）电场屏蔽静（低频）电场0V电缆长度电缆长度 /20，多点接地，多点接地9回路面积回路面积AVNVN ( d / dt ) = A ( dB / dt )磁通磁通 感应电压感应电压当面积一定时当面积一定时 磁场对电缆的干扰磁场对电缆的干扰jA B由于外界干扰场的频率和强度是由于外界干扰场的频率和强度是不受控的，应尽量减小回路的面积。不受

5、控的，应尽量减小回路的面积。10理想同轴线的信号电流信号电流与回流回流等效为在几何上重合，因此电缆上的回路面积为0，整个回路面积仅有两端的部分减小感应回路的面积减小感应回路的面积两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。当屏蔽层两端接地时，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is，感应出的Is也会感应出磁场，但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反，相互抵消，导致总磁场减小，减小了干扰。屏蔽电缆减小磁场影响VSVSVS只有两端接地的屏蔽层才能屏蔽磁场121001M1M1M100100每米18

6、节(A)(B)(D)(E)(C)0271313281M1M100100抑制磁场干扰的试验数据单端接地非磁性材料的屏蔽套磁性材料的屏蔽套双绞线/单端接地屏蔽层两端接地 结构结构A：在信号线上套一个非磁性材料的屏蔽套，并且单点接地。对于磁场而言，当非磁性材料的屏蔽层单点接地时，信号回路中的磁场没有变化，因此磁场感应是相同的，即这种结构没有屏蔽效果。这种情况屏蔽效果定义为0dB，作为参考点。1001M(A)0dB非磁性材料的屏蔽套 结构结构B：将A中的屏蔽层两端接地。这时就能够提供一定的屏蔽效能了。因为由屏蔽层与地平面构成的环路中也感应了电流，这个电流产生了一个与原磁场相反的磁场，使信号回路中的磁场

7、减弱，感应噪声减小。1M100(B)27dB磁性材料的屏蔽套 结构结构C：双绞线本应提供较好的屏蔽效果（由于相邻绞节中感应的电流方向相反，相互抵消），但由于电路两端接地，实际的感应回路并不小，因此效果较差。1M100每米18节(C)13dB 结构结构D：在双绞线上加了一个单端接地单端接地的屏蔽层，由于单端接地的屏蔽层对磁场没有屏蔽效果，因此并没有改善双绞线的屏蔽效能。(D)13dB1M100单端接地双绞线/单端接地 结构结构E：将屏蔽层两端接地后，同B一样，屏蔽层中的电流产生的反磁场削弱了原磁场，屏蔽效能有所提高。(E)28dB1M100屏蔽层两端接地18抑制磁场干扰的实验数据 1001M1M

8、1M100100每米18节(F)(G)(I)(J)(H)80557063771M1M100100电缆的屏蔽层作为回流路径，大大减小了感应回路的面积双绞线H中的屏蔽层两端接地H中的屏蔽层单端接地 结构结构F：电路只在单点接地，利用电缆的屏蔽层作为回流路径，大大减小了感应回路的面积，因此屏蔽效能大幅度提高。理想的同轴电缆回路面积为0，不会感应上任何噪声电压。实际同轴电缆的屏蔽效果取决于芯线与外层轴心的偏差。1001M(F)80dB 结构结构G：双绞线由于具有很小的感应回路，并且相邻绞节中的感应电流对消，因此表现出较高的磁场屏蔽效果。实际的抑制效果比55更高，因为这里有些电场感应了进来。这从结构H可

9、以看出。1M100每米18节(G)55dB 在结构H中，单端接地的屏蔽层抑制了电场感应，是屏蔽效果提高到70。1M100(H)70dB双绞线 结构结构I：将H中的屏蔽层两端接地后，导致屏蔽效能下降。这是因为屏蔽层两端接地后，在屏蔽层上产生了感应电流，这个电流在双绞线上感应出电流，由于电路不是平衡的，导致产生差模电压。(I)63dB1M100H中的屏蔽层两端接地 结构结构J：将H中的屏蔽层非接地的一端接到电路公共端，进一步提高了屏蔽效能，但没有达到F的水平，因为F中的电缆是同轴电缆，具有很小的感应回路。 问题：问题：结构H的屏蔽效能比结构G提高了一些，这是因为单端接地的屏蔽层消除了实验装置产生的

10、附加额外的电场，为什么结构I的屏蔽效能没有比结构J的屏蔽效能提高？(J)77dB1M100H中的屏蔽层单端接地24导线之间两种串扰机理导线之间两种串扰机理MCICICILILR0RLR2GR2L接收导线的两端情况是不同的，在靠近信号源的一端，电容耦合产生的电流与电感耦合产生的电流方向相同，幅度叠加，而在远离信号源的一端，电容耦合产生的电流与电感产生的电流方向相反，幅度抵消。因此，近端的干扰较强。25耦合方式的粗略判断ZSZL 10002： 电场耦合为主电场耦合为主其它情况难说，取决于几何结构和频率其它情况难说，取决于几何结构和频率源电路阻抗ZS，接收电路的阻抗ZL26电容耦合模型电容耦合模型C

11、12VN j C12 / ( C12 + C2G)j + 1 / R ( C12 + C2G)V1C1GC2GRV1C12C1GC2GRV1VN27 R 1 / j ( C12 + C2G ) VN = V1 C12 / ( C12 + C2G ) 耦合公式化简频率很低的情况频率很低的情况频率、被干扰导体对地电阻、 两导体之间的电容成正比频率很高的情况频率很高的情况与频率和电路的阻抗都无关。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28耦合电压耦合电压VN = j RC12V1C12V1 (C12 + C2G)VN =1 / R (C12 + C2G)频率频率 电容耦合与频率的关系可

12、以控制电容耦合的参数有三个：两个导体之间的电容C12 ，接收导体对参考地的电阻R ，接收电路对参考地的电容C2G 。其中，前两个参数在实践中最重要。在实践中，常通过降低接收电路的电阻来减小电容耦合。VN = j R C12 V1C12C1GC2GRV129屏蔽层不接地：屏蔽层不接地：相当于R无限大，应用R很大时的前面公式 VN = VS =V1 C1S / ( C1S + CSG ) ，与无屏蔽相同，与无屏蔽相同 屏蔽层接地（此时屏蔽层接地（此时R0）时：时：VN = VS = 0， 具有理想的屏蔽效果具有理想的屏蔽效果C1sC1GCsGC1GCSGC1sVsV1V1VsC2S屏蔽对电容耦合的

13、影响全屏蔽30R 很大时：很大时：VN = V1 C12 / ( C12 + C2G + C2S ) C1sC1GCsGCSGC1sVNV1V1VNC2SC12C12C2GR 很小时：很小时：VN = j RC12 部分屏蔽对电容耦合的效果C12的大小取决于导体2在屏蔽体外的长度。要减小C12，就要使暴露出屏蔽层的导体长度尽量短31定义：定义： 自感自感L 1 / I1 ， 互感互感 M 12 / I1 1 是电流是电流I1在回路在回路1中产生的磁通，中产生的磁通， 12 是电流是电流I1在回路在回路2中产生的磁通中产生的磁通回路回路1回路回路2aba M = （ / 2 ）lnb2/（b2-

14、 a2） 互电感定义与计算32电感耦合VN d 12 / dt = d(MI1)/dt = M dI1 / dtMR2RR1RR2R1I1VNI1VNV1V1减小互感耦合的方法：减小互感耦合的方法：M = （ / 2 ）lnb2/（b2- a2） 1 增加两个回路之间的距离；2 减小第一个回路产生的磁通密度（在电流幅度不变的情况下），例如将第一个回路的两根长导线用双绞线；3 减小接收回路的面积；4 调整两个回路的相对位置、角度关系。33IN = j C12V1R2R1VVVN = j M12 I1R2R1电容耦合电感耦合电感耦合与电容耦合的判别p 区分方法：区分方法：测量导体一端的噪声电压，同

15、时调整导体另一端对地的阻抗，若测量电压值随阻抗增加而增加，则为电容耦合，若变化方向相反，则为电感耦合。 p 由电容耦合噪声可看成是并联在接收导体与地之间的电流源，电感耦合噪声可看成是串联在接收导体中的一个电压源。34屏蔽对电感耦合的影响关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变I1M1SM12如屏蔽体两端接地，在屏蔽层与地构成的回路中会产生感应电流。感应电流产生新的磁场将叠加在原来的12上，由于12 12 ，因此，这个屏蔽措施的引入改变了互感，因此可以断定这种屏蔽对互感耦合有影响。35双端接地屏蔽层的分析V12 = j M12 I1 VS2 = j MS2 I

16、S VN = V12 + VS2 M1SM12MS2+ - - +V12VS2导体1导体2屏蔽体I1IS求解这项求解这项根据电磁感应定律，IS的方向与I1 的方向相反，因此 V12的方向与VS2的方向相反，两者相抵消。因此减小了耦合电压VN 。36VS2项求解+ LS = / IS MS2 = / IS 因此：因此：LS = MS2 导体导体2屏蔽层屏蔽层VS2 = j MS2 I S = j MS2 ( V S / ZS) = j LS V S / ( j LS+RS ) = VS j / ( j +RS/LS)37屏蔽后的耦合电压VN = V12 + VS2 V12 = j M12I1 VS = j M1SI1因为：因为：M12 = M1S所以：所以：VS = j M12I1所以：所以：VS2 = j M12I1 j / ( j +RS / LS)VN = V12 - V12 j / ( j +RS / LS) = V12 (RS / LS) / ( j +RS / LS) V12 38屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果VN M12 I1（Rs / Ls )VN j M12 I1VNRs / Ls 无屏蔽电缆无屏蔽电缆屏蔽效能屏蔽效能屏蔽电缆 lg 当频率很低时（ j Ls Rs ）：VN = = M12I1 ( Rs / Ls ) 感应电压不随频率增加