屏蔽電纜屏蔽層兩種接地方式對(duì)產(chǎn)品的影響

史 貝 娜

(上海三基電子工業(yè)有限公司, 上海 200063)

0 引 言

屏蔽電纜的屏蔽層主要由銅、鋁等非磁性材料制成,并且厚度很薄,遠(yuǎn)小于使用頻率上金屬材料的集膚深度。屏蔽層的效果不是由金屬體本身對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的反射、吸收而產(chǎn)生的,而是由屏蔽層的接地產(chǎn)生的,接地形式的不同將直接影響屏蔽效果。屏蔽層不接地就起不到屏蔽作用,會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾。眾所周知,屏蔽層的作用是將電磁場(chǎng)噪聲源與敏感設(shè)備隔離,切斷噪聲源的傳播路徑。因此,屏蔽電纜的屏蔽層接地極大地影響屏蔽的效果,進(jìn)而影響到產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性[1-2]。

1 屏蔽層接地概述

1.1 屏蔽層接地

屏蔽層也會(huì)耦合電磁噪聲,如電纜上的脈沖信號(hào)會(huì)在沒有接地的屏蔽層上形成環(huán)形電流,導(dǎo)致屏蔽層不同點(diǎn)有電勢(shì)差異,引起噪聲傳遞。再如外部的電磁波會(huì)在沒有接地的屏蔽層上傳播(與天線一樣)。所以,電纜一般都需要屏蔽層接地,讓屏蔽層感應(yīng)的信號(hào)從低阻抗的通道導(dǎo)走,因地信號(hào)的阻抗比較低,所以均連接到地。常用的接地點(diǎn)有設(shè)備機(jī)殼、實(shí)驗(yàn)室的地線、住家的220 V保護(hù)地(連接到建筑物的地)。

1.2 屏蔽層接地方式

屏蔽層接地通常采用兩種方式來處理:屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地[3-4]。

(1) 屏蔽層單端接地是在屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地,另一端不接地或通過保護(hù)接地。在屏蔽層單端接地情況下,非接地端的金屬屏蔽層對(duì)地之間有感應(yīng)電壓存在,感應(yīng)電壓與電纜的長度成正比,但屏蔽層無電勢(shì)環(huán)流通過。單端接地就是利用抑制電勢(shì)電位差來達(dá)到消除電磁干擾的目的。

這種接地方式適合長度較短的線路,所對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電壓不能超過安全電壓。靜電感應(yīng)電壓的存在將影響電路信號(hào)的穩(wěn)定,有時(shí)可能會(huì)形成天線效應(yīng)。

(2) 雙端接地是將屏蔽電纜的金屬屏蔽層兩端均接地。在屏蔽層雙端接地情況下,金屬屏蔽層不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流,如果地點(diǎn)A和地點(diǎn)B的電勢(shì)不相等,將形成很大的電勢(shì)環(huán)流,會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生抵消衰減效果。動(dòng)力電纜線兩邊接地,電機(jī)端的PE必然要接在驅(qū)動(dòng)端的PE上,并最終接入機(jī)箱內(nèi)的大地匯流排。

屏蔽電纜的屏蔽層接地方式一直是工程領(lǐng)域中討論的話題,工程設(shè)計(jì)者經(jīng)常會(huì)碰到一些實(shí)際的案例,某些產(chǎn)品的屏蔽電纜采用單端接地時(shí)系統(tǒng)更穩(wěn)定,而某些產(chǎn)品的屏蔽電纜采用雙端接地后系統(tǒng)更穩(wěn)定。

2 屏蔽層接地問題分析

2.1 問題描述

某系統(tǒng)由兩個(gè)產(chǎn)品互聯(lián)組成,兩個(gè)產(chǎn)品之間的互聯(lián)信號(hào)電纜采用屏蔽電纜,在某現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),屏蔽電纜雙端接地后系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)異常,而斷開屏蔽電纜屏蔽層的一端接地后發(fā)現(xiàn)異常情況消失。

2.2 原因分析

經(jīng)過分析該案例,干擾分析原理如圖1所示。圖1中,屏蔽電纜互聯(lián)于兩個(gè)金屬外殼的產(chǎn)品之間,屏蔽電纜左側(cè)接產(chǎn)品1的殼體,屏蔽電纜的右側(cè)與產(chǎn)品2的殼體不連接。干擾從產(chǎn)品1左側(cè)的電纜注入,顯示了主要的干擾電流路徑。干擾電流越大,產(chǎn)品1中PCB板受到的干擾越大。屏蔽電纜的右側(cè)接產(chǎn)品2的金屬殼體時(shí),會(huì)使顯示的共模干擾電流變大,于是產(chǎn)品1出現(xiàn)故障。這就是該案例中屏蔽電纜雙端接地后系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)異常,而斷開屏蔽電纜屏蔽層一端接地后異常情況消失的原因。

圖1 干擾分析原理

2.3 處理措施

從以上現(xiàn)象與原理分析,屏蔽電纜只能采用單端接地,但是事實(shí)并非如此。圖1 只分析了一種干擾情況,即干擾從產(chǎn)品1的左側(cè)電纜注入,此時(shí)屏蔽電纜右側(cè)不與產(chǎn)品2的殼體連接,降低產(chǎn)品1所受到的干擾。實(shí)際應(yīng)用中,干擾會(huì)從各種途徑進(jìn)入產(chǎn)品。屏蔽層右側(cè)不接殼體時(shí)干擾從屏蔽電纜注入的干擾原理如圖2所示。

由圖2可知,當(dāng)共模干擾電平注入屏蔽電纜屏蔽層時(shí),屏蔽電纜的屏蔽層在靠近產(chǎn)品2側(cè)處的電位立即抬高,此時(shí)屏蔽電纜內(nèi)導(dǎo)體的電位并沒有同步抬高,于是位于屏蔽電纜屏蔽層與內(nèi)導(dǎo)體之間的寄生電容Cc兩端出現(xiàn)可變的電位差,導(dǎo)致干擾電流從屏蔽層進(jìn)入屏蔽電纜內(nèi)導(dǎo)體,沿著電纜流入PCB板,形成圖2中虛線箭頭線表示的干擾電流。

屏蔽層右側(cè)接殼體時(shí)干擾從屏蔽電纜注入的干擾原理如圖3所示。

圖3 屏蔽層右側(cè)接殼體時(shí)干擾從屏蔽電纜注入的干擾原理

如果將屏蔽電纜右側(cè)的屏蔽層接至產(chǎn)品2的殼體,則當(dāng)共模干擾電平注入屏蔽電纜屏蔽層時(shí),屏蔽電纜的屏蔽層在靠近產(chǎn)品2側(cè)處的電位與產(chǎn)品2殼體的電位同步抬高,最終干擾電流無法進(jìn)入產(chǎn)品2的內(nèi)部(從屏蔽電纜屏蔽層沿著Cc進(jìn)入屏蔽電纜內(nèi),流向PCB的電流被圖3中虛線箭頭表示的電流旁路),產(chǎn)品2內(nèi)部電路得到保護(hù)。

由此可見,屏蔽電纜的一側(cè)也需要接殼體。然而,屏蔽電纜右側(cè)的屏蔽層接殼體后會(huì)增加流過產(chǎn)品1中PCB板的干擾電流,這就需要綜合考慮整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的EMC問題。整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的完整EMC設(shè)計(jì)解決方案原理如圖4所示。

圖4 整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的完整EMC設(shè)計(jì)解決方案原理

最終的解決方案是改變產(chǎn)品1中的PCB板工作地與金屬殼體之間的互聯(lián)關(guān)系,將PCB板的工作地在電纜出入口的附近與金屬殼體實(shí)現(xiàn)等電位互聯(lián),由產(chǎn)品1左側(cè)電纜進(jìn)入的干擾電流將被旁路在產(chǎn)品1金屬殼體的外側(cè),干擾電流不再流向產(chǎn)品1的PCB板,屏蔽電纜右側(cè)屏蔽層接產(chǎn)品2的殼體,整個(gè)系統(tǒng)的EMC問題得到解決。

3 結(jié) 語

電纜屏蔽層接地極大地影響屏蔽的效果,進(jìn)而影響到產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。電纜屏蔽層采用哪種接地方式,要先根據(jù)干擾源的分析結(jié)果,選擇抗干擾效果好的接地方式。

電磁兼容性(EMC)問題是一個(gè)系統(tǒng)問題,應(yīng)從整體進(jìn)行全局的分析,而不是僅關(guān)注在個(gè)別點(diǎn)。因此,產(chǎn)品中某處設(shè)計(jì)改動(dòng)而導(dǎo)致EMC結(jié)果的改變,不能證明此EMC結(jié)果就是該改動(dòng)造成的,只能證明此結(jié)果與其有關(guān)。