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1、电缆的电缆的EMCEMC设计设计 电气工程系电气工程系 江滨浩江滨浩研究生学位课电磁兼容研究生学位课电磁兼容（6 6）1主主 要要 内内 容容n 电磁场电磁场在在电缆线上的感应噪声线上的感应噪声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2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 前述，电磁场对电缆的影响分为：在信号回路中的差模干差模干 扰电流扰电流，在电缆与大地回路间的共模干扰电流共模干扰电流3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
2、理是导线处于不同的电位点，而磁场是通过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，回路中的磁通时变。电缆中信号线和回线间距极小，线间电压线间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Sh4 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
3、1MHz 10MHz 100MHz 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5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的共模电压在电
4、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 6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7 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8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。不受控的，应尽量减小回路的面积。9理想同轴
5、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。10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111001M1M1M100100每米18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12抑制磁场干扰的实验数据 1001M1M1M100100每米18节(F)(G)(I)(J)(H)
6、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13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。14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ZL15电
7、容耦合模型电容耦合模型C12VN j C12/(C12+C2G)j +1/R(C12+C2G)V1C1GC2GRV1C12C1GC2GRV1VN16 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17耦耦合合电电压压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以控制电容耦合的参数有三个：两个导体之间的电容C12，接
8、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 V1C12C1GC2GRV118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屏蔽对电容耦合的影响全屏蔽19R 很大时：很大时：VN=V1 C12/(C12+C2G+C2S)C1sC1GCs
9、GCSGC1sVNV1V1VNC2SC12C12C2GR 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20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-a2）互电感定义与计算21电感耦合VN d 12/dt=d(MI1)/dt=M dI1/dtMR2RR1RR2R1I1VNI1VNV1V1减
10、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。22IN=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
11、串联在接收导体中的一个电压源。23屏蔽对电感耦合的影响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。24双端接地屏蔽层的分析V12=j M12 I1 VS2=j MS2 IS 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
12、VS2的方向相反，两者相抵消。因此减小了耦合电压VN。25VS2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)26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 27屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果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而增加，保持一个常数，差值就是屏蔽效果。28长线上的耦合电压 /10 /4 /2 3/4 lg f短线近似线短线近似线低频区域低频区域驻波区域驻波区域耦耦合合电电压压电缆与波长相比较短时电场耦合和磁场耦合电压都随着频率的升高增加。当电缆较长时，这个结论不再正确。29电缆的辐射干扰电缆的辐射干扰30