4.4 電纜、連接器中抑制共模電流的方法

電纜要成為天線，需要一定的長度，而且電纜接口進行抗擾度和傳導騷擾測試的電纜最小長度為3m（有些標準中規定電纜進行浪涌測試的最小長度為10m），因此在產品電纜設計時，只要滿足使用要求，可以盡量使用短的電纜，避免電纜成為更寬頻率下的天線，并免去大部分的EMC測試。然而，不但電纜長度往往受到設備之間連接距離的限制，不能隨意縮短，而且當電纜的長度不能減小到波長的一半以下或小于3m時，減小電纜長度也沒明顯效果。在這種情況下，只能減小流入電纜或連接器中的共模電流。電纜/連接器中抑制共模電流的常用方法如下。

● 增加共模電流回路的阻抗：因為在共模電壓一定的情況下，增加共模電流回路的阻抗可以減小共模電流。

● 選用帶有低通濾波器的連接器：目的是減少高頻共模電流成分，這些高頻共模電流的輻射效率很高。

● 電纜屏蔽：目的是為了避免在電纜內導體中出現外部注入的共模干擾電流，也是為電纜中導體形成的EMI共模電流提供一條環路面積較小的返回路徑。

下面介紹這幾種方法在實際工程中的應用。

1.增加共模電流回路的阻抗

當設備電纜上產生或注入的共模電壓一定時，減小電纜上共模電流的方法就是增加共模電流回路的阻抗。然而，怎樣增加共模回路的阻抗是許多工程師困惑的問題。很多工程師往往試圖通過斷開電路板與機箱之間的連接，或者機箱與安全地之間的連接，來增加共模回路的阻抗，結果往往令人失望，因為這些方法僅對低頻有效，而低頻共模電流并不是輻射的主要原因。實用而有效的方法是在電纜上套磁環（被套上磁環的電纜電路等效為電纜上串聯共模電感），加磁環后的電纜能夠只對共模電流形成較大的阻抗，而對差模信號沒有影響。磁環的使用也很簡單，只要將整束電纜穿過一個鐵氧體磁環，其架構就構成了一個共模電感，根據需要也可以將電纜在磁環上繞幾匝，磁環不需要接地，可以直接加到電纜上。為了工程上使用方便，很多廠家提供分體式的磁環，這種磁環可以很容易地卡在電纜上。電纜上套了鐵氧體磁環后，共模電流減小的數量取決于原來共模電流回路的阻抗和共模電感的阻抗，從共模輻射的公式可以推導出下面的結論（推導中應用共模電壓不變的條件）：

式中 E1—加鐵氧體前的電纜輻射強度；

E2—加鐵氧體后的電纜輻射強度；

ICM1—加鐵氧體前電纜上的共模電流；

ICM2—加鐵氧體后電纜上的共模電流；

ZCM2—加鐵氧體后的共模環路阻抗；

ZCM1—加鐵氧體前的共模環路阻抗；

Z—共模電感的阻抗。

例如，在某一頻率下，如果沒加磁環時的共模電流回路阻抗為100Ω，加磁環后的電纜共模阻抗為1000Ω，則共模輻射改善為20dB；而如果原來的共模電流環路阻抗為1000Ω，則改善量僅為6dB。為了獲得預期的干擾抑制效果，在使用鐵氧體磁環時需要注意以下問題。

（1）鐵氧體材料的選擇：根據要抑制干擾的頻率不同，選擇不同材料成分和磁導率的鐵氧體材料。鎳鋅鐵氧體材料的高頻特性好于錳鋅鐵氧體材料，并且鐵氧體材料的磁導率越高，低頻的阻抗越大，而高頻的阻抗越小。這是由于磁導率高的鐵氧體材料電導率較高，當導體穿過時，形成電纜與磁環之間的寄生電容較大。

（2）鐵氧體磁環的尺寸：磁環的內外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。但內徑一定要包緊導線。因此，要獲得大的衰減，在磁環內徑包緊電纜的前提下，盡量使用體積較大的磁環。

（3）磁環的匝數：增加穿過磁環的匝數可以增加低頻的阻抗，但是由于匝間寄生電容增加，高頻的阻抗也許會減小。圖4-45為磁環的匝數、頻率和阻抗的關系曲線。由圖可知，當磁環上的線圈匝數從1匝變到2匝和3匝時，低頻部分阻抗增大，高頻部分的阻抗增加。而當磁環上的線圈匝數進一步增加時，只有低頻部分阻抗會增大，高頻部分的阻抗反而減小，因此，盲目增加匝數來增加衰減是錯誤的。實踐中，當考慮的核心頻率為數十MHz時，磁環匝數為3匝比較合適；當需要抑制的共模電流噪聲頻帶較寬時，可在兩個磁環上繞不同的匝數。

例：某設備有兩個超標輻射頻率點，一個為40MHz，另一個為900MHz。經檢查，確定是電纜的共模輻射所致。在電纜上套一個磁環（1/2匝），900MHz的干擾明顯減小，不再超標，但是40MHz頻率仍然超標。將電纜在磁環上繞3匝，40MHz干擾減小，不再超標，但900MHz超標。為了解決這個問題，使用了兩個鐵氧體磁環，一個為1/2匝，另一個為3匝。

（4）電纜上鐵氧體磁環的個數：增加電纜上的鐵氧體磁環的個數，可以增加低頻的阻抗，但高頻的阻抗會減小。這是因為電纜與磁環之間的寄生電容增加的緣故。

（5）鐵氧體磁環的安裝位置：一般盡量靠近干擾源或敏感源。對于屏蔽機箱上的電纜，磁環要盡量靠近機箱的電纜進出口。由于鐵氧體磁環的效果取決于原來共模環路的阻抗（原來回路的阻抗越低，磁環的效果越明顯），因此當原來的電纜兩端安裝了共模濾波電容時，由于其共模阻抗很低，磁環的效果更明顯。

（6）鐵氧體磁環應放在電流較高的位置上，一般放在連接線的引出處。

2.選用帶有低通濾波器的連接器

濾波連接器是具備濾波功能的連接器，它是在普通電連接器的基礎上，經過內部結構改進，增加濾波電路（濾波網絡）研制而成的。它既具備普通電連接器的所有功能，又兼具抑制電磁干擾的特性，民用產品很少用，特點和使用注意事項如下：

● 體積小。將濾波電路（濾波網絡）設計在連接器內部，為使用設備節省了空間。

● 多功能。將濾波器同連接器金屬外殼連接，可同時實現濾波、屏蔽、接地。

● 使用方便。

● 所有芯線都要濾波。因為機箱內外的共模干擾信號會耦合到電纜中的所有導線上，這樣電纜中沒有經過濾波的芯線會將感應的信號帶到機箱內外，產生EMC問題。另外，當頻率較高時電纜中導線之間的耦合也非常嚴重，這樣沒有經過濾波的導線上的電流會耦合到經過濾波的導線上，造成嚴重的EMC問題，所以濾波連接器中的芯線都需要濾波。實際上，如果為了降低成本在某些芯線上不安裝濾波器是沒有必要的，因為現在流行的制造工藝是將電容陣列板安裝在連接器中，這種工藝并不會因少幾個電容而降低成本。如果有些信號由于頻率較高而不允許濾波，則在設計時可以考慮將這些信號連接到單獨的連接器上，然后對這些信號線使用屏蔽性能較好的屏蔽電纜。

3.電纜屏蔽

在EMC設計中，電纜進行屏蔽的目的有兩方面：

（1）將注入電纜的共模干擾電流通過屏蔽層引導到產品殼體或參考地（金屬外殼產品）或PCB中的工作地GND（浮地設備），使屏蔽層中的信號和電纜接口回路受到保護，免受外界干擾。

（2）將信號線中的EMI信號包圍在屏蔽層內，使屏蔽層中產生信號線中的共模電流的回流。

談起電纜的屏蔽，有一個概念不得不提，那就是轉移阻抗（Zt）。Zt是當在屏蔽電纜上注入射頻電流（圖4-46中的Iext）時，中心導體與屏蔽層之間的電位差（圖4-46中的Eint）與這個電流的比值，即：

從Zt的單位可知，屏蔽電纜中的感應電壓隨著屏蔽電纜長度的增加而增加。因此當在屏蔽電纜上注入射頻電流Iext時，中心導體上出現的最高感應電壓可分別在以下三種情況下估算：

（1）當在低頻或屏蔽電纜的長度小于信號電流Iext的1/2波長，并且屏蔽電纜中心導體信號線兩端接高阻抗負載或懸空時，可用公式（4.16）：

式中 dU—單位長度電纜下的感應電壓（見圖4-47）；

dX—單位電纜長度（見圖4-47）。

（2）當在低頻或屏蔽電纜的長度小于信號電流Iext的1/2波長，并且屏蔽電纜中心導體信號線兩端接50Ω負載時（如50Ω同軸電纜），可用公式（4.17）：

式中 dU—單位長度電纜下的感應電壓（見圖4-47）；

dX—單位電纜長度（見圖4-47）。

（3）當在高頻或屏蔽電纜的長度大于信號電流Iext的1/2波長，并且屏蔽電纜中心導體信號線兩端接50Ω負載時（如50Ω同軸電纜），可用公式（4.18）：

式中 U—中芯導體上的感應電壓（見圖4-47）；

λ—電纜屏蔽層上電流Iext的波長。

由式（4.16）～式（4.18）可知，對于給定頻率，較低的Zt意味著當在屏蔽電纜上注入射頻電流時，中心導體上只會產生較低的電壓，即對外界干擾具有較高屏蔽效果，同樣也說明中心導體上有電壓時，屏蔽電纜上感應的電流也較小，即對中心導體產生的騷擾具有較高的屏蔽效果。當屏蔽電纜長度超過信號的1/2波長時，屏蔽電纜應認為是一根傳輸線，中心導體上的感應電壓將不隨電纜長度變化。如果一根屏蔽電纜的Zt在整個頻率段上僅為幾mΩ，那么這根電纜的屏蔽效果是比較好的。同時，具有較低的轉移阻抗的屏蔽電纜也意味著具有較好的屏蔽外接干擾的能力和屏蔽本身輻射發射的能力。

例如：一根RG58的同軸電纜長度L大于2m，暴露在頻率為100MHz、場強E為8V/m的電磁場中，那么同軸電纜中心導體上感應到的電壓UO計算如下：

首先100MHz頻率對應的波長λ=3m，則L>（1/2）λ。電磁場引起屏蔽層上的感應電流Is為：

同時，因為L>（1/2）λ，根據式（4.18）可計算同軸電纜中心導體上感應到的電壓UO為：

注：根據圖4-48可以查得RG 58同軸電纜在頻率100MHz的情況下，轉移阻抗Zt=0.8Ω/m。

圖4-48為各種類型屏蔽電纜的轉移阻抗與頻率的關系。

由圖4-48可知，屏蔽電纜的轉移阻抗隨頻率的增大而增大（即屏蔽效果降低），這是因為高頻信號由于趨膚效應，電流將聚集在屏蔽體外表面上流動，導致屏蔽體與內導體之間的互感關系變弱，屏蔽層上流過電流時，內導體中感應出的電壓變低，屏蔽層與內導體之間的電位差變大。

工程實踐中，屏蔽電纜屏蔽類型的選擇往往并不是主要問題，最主要的問題是屏蔽電纜屏蔽層的連接，最常見的問題是“豬尾巴”（Pigtail）效應，主要是以下兩方面原因造成的：

（1）電纜屏蔽連接器的金屬外殼接觸阻抗，表4-3給出了一些常用屏蔽連接器的金屬外殼接觸阻抗。

（2）電纜屏蔽層與連接器或金屬外殼連接時，產品的“豬尾巴”。

總之，屏蔽電纜的屏蔽層一定要進行360°搭接處理。圖4-49為電纜屏蔽層接地方式。

從風險的概念來評估電纜屏蔽層連接的設計，在30MHz以上的頻率下，屏蔽層電纜具有零長度的“豬尾巴”，沒有風險，如圖4-50所示，ESD等級可以達到15kV。1cm長度的“豬尾巴”存在30%風險；3cm長度的“豬尾巴”存在50%風險，5cm長度的“豬尾巴”存在70%風險。如圖4-51所示，ESD等級只能達到4kV。如圖4-52所示，ESD等級僅達2kV。