電纜中的EMI共模電流是如何產(chǎn)生的
出處:chunyang 發(fā)布于:2009-03-10 10:25:50
電纜的輻射問題是工程中常見的問題之一,90%以上的設(shè)備不能通過輻射發(fā)射測試都是由于電纜輻射造成的。在實(shí)際中經(jīng)常發(fā)現(xiàn),當(dāng)將設(shè)備上的外拖電纜取下來時(shí),設(shè)備就可以順利通過試驗(yàn),在現(xiàn)場中遇到電磁干擾現(xiàn)象時(shí),只要將電纜拔下來,故障現(xiàn)象就會(huì)消失。這是因?yàn)殡娎|是一根高效的接收和輻射天線。電纜產(chǎn)生輻射的機(jī)理有兩種,一種是電纜中的信號電流(差模電流)回路產(chǎn)生的差模輻射;另一種是電纜中的導(dǎo)線(包括屏蔽層)上的共模電流產(chǎn)生的共模輻射。電纜的輻射主要來自共模輻射。共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的,共模電流的環(huán)路面積是由電纜與大地(或鄰近其他大型導(dǎo)體)形成的,因此具有較大的環(huán)路面積,會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射,其形成原理已在第2章中進(jìn)行了詳細(xì)描述。對于各種輻射驅(qū)動(dòng)模式,即電纜上的共模電流產(chǎn)生的原因有:
?。?)信號回流路徑阻抗較高,使信號回流的電流經(jīng)過回流路徑阻抗時(shí),產(chǎn)生壓降,該壓降成為共模電壓,而且正好在電纜與大地(或鄰近的其他大型導(dǎo)體)之間,導(dǎo)致共模電流。
?。?)差模電流泄漏導(dǎo)致共模電流。即使電纜中包含了信號回線,也不能保證信號電流100%地從回線返回信號源,特別是在頻率較高的場合,空間各種雜散參數(shù)為信號電流提供了第三條甚至更多的返回路徑。
?。?)電纜與大地之間形成的寄生回路,通過磁耦合的方式感應(yīng)到電流,成為共模電流。
上述三種共模電流雖然所占的電流比例很小,但是由于輻射環(huán)路面積大,輻射是不能忽視的。因此不要試圖通過將電路與大地“斷開”(將線路板與機(jī)箱之間的地線斷開,或?qū)C(jī)箱與大地之間的地線斷開)來減小共模電流,從而減小共模輻射。將電路與大地?cái)嚅_僅能夠在低頻減小共模電流,高頻時(shí)寄生電容形成的通路已經(jīng)阻抗很小。共模電流主要由寄生電容、寄生電感產(chǎn)生。當(dāng)然,如果共模輻射的問題主要發(fā)生在低頻,將線路板或機(jī)箱與大地?cái)嚅_會(huì)有一定效果。從EMI共模電流產(chǎn)生的機(jī)理(第2章描述)可知,減小這種共模電流的一種有效方式是,將信號線與回線靠得越近,則差模信號電流與回流產(chǎn)生的各種寄生效果相互抵消。按照這種方法來避免電纜輻射的一個(gè)典型的例子就是使用同軸電纜,由于同軸電纜的回流電流均勻分布在外皮上,其等效電流與軸心重合,因此,回路面積為零,幾乎too%的信號電流從同軸電纜的外皮返回信號源,共模電流幾乎為零,所以共模輻射很小。另一方面,由于差模電流回路的面積幾乎為零,差模輻射也很小,所以同軸電纜的輻射是很小的。對于高頻信號,用同軸電纜傳送可以避免輻射。這也與傳統(tǒng)上用同軸電纜傳輸高頻信號,以減小信號的損耗的目的具有相同的本質(zhì)。因?yàn)樾盘柕膿p耗小了,自然說明泄漏的成分少了,而這部分泄漏就是電纜的輻射。減小這種共模電流的另一種有效方法是減小差?;芈返淖杩?,從而促使大部分信號電流從地線返回時(shí),產(chǎn)生的壓降幾乎為零,即線路板的地線噪聲為零,自然共模電流也為零。這里的線路板的地線就是信號的回流線,因此,地線上的兩點(diǎn)之間必然存在電壓,對于高頻電路而言,這些就是高頻噪聲電壓,它作為共模電壓驅(qū)動(dòng)電纜上的共模電流,導(dǎo)致共模輻射。第5章中關(guān)于地平面阻抗的討論時(shí)提供的各種減小地線阻抗的設(shè)計(jì)方法,可以用來減小地線上的噪聲,從而減小共模電壓。如果在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,地平面阻抗控制失?。▽?shí)際上地平面阻抗控制也是一件非常難的事情,隨著電路板密集程度的提高,控制難度還隨之增加),那么有一種補(bǔ)償?shù)姆绞骄褪窃诋a(chǎn)品的I/O端口將“0V”通過零阻抗(意味著連接部分的長寬比等于1°或360°搭接)接地,并將I/O信號通過Y電容接地,當(dāng)然接地點(diǎn)必須是“干凈地”。所謂干凈地就是這塊地線上沒有可以產(chǎn)生噪聲的電路,因此“干凈地”上的局部電位幾乎相等。如果產(chǎn)品外殼是金屬的,則“干凈地”就為金屬外殼。
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