4.4 电缆、连接器中抑制共模电流的方法

电缆要成为天线，需要一定的长度，而且电缆接口进行抗扰度和传导骚扰测试的电缆最小长度为3m（有些标准中规定电缆进行浪涌测试的最小长度为10m），因此在产品电缆设计时，只要满足使用要求，可以尽量使用短的电缆，避免电缆成为更宽频率下的天线，并免去大部分的EMC测试。然而，不但电缆长度往往受到设备之间连接距离的限制，不能随意缩短，而且当电缆的长度不能减小到波长的一半以下或小于3m时，减小电缆长度也没明显效果。在这种情况下，只能减小流入电缆或连接器中的共模电流。电缆/连接器中抑制共模电流的常用方法如下。

● 增加共模电流回路的阻抗：因为在共模电压一定的情况下，增加共模电流回路的阻抗可以减小共模电流。

● 选用带有低通滤波器的连接器：目的是减少高频共模电流成分，这些高频共模电流的辐射效率很高。

● 电缆屏蔽：目的是为了避免在电缆内导体中出现外部注入的共模干扰电流，也是为电缆中导体形成的EMI共模电流提供一条环路面积较小的返回路径。

下面介绍这几种方法在实际工程中的应用。

1.增加共模电流回路的阻抗

当设备电缆上产生或注入的共模电压一定时，减小电缆上共模电流的方法就是增加共模电流回路的阻抗。然而，怎样增加共模回路的阻抗是许多工程师困惑的问题。很多工程师往往试图通过断开电路板与机箱之间的连接，或者机箱与安全地之间的连接，来增加共模回路的阻抗，结果往往令人失望，因为这些方法仅对低频有效，而低频共模电流并不是辐射的主要原因。实用而有效的方法是在电缆上套磁环（被套上磁环的电缆电路等效为电缆上串联共模电感），加磁环后的电缆能够只对共模电流形成较大的阻抗，而对差模信号没有影响。磁环的使用也很简单，只要将整束电缆穿过一个铁氧体磁环，其架构就构成了一个共模电感，根据需要也可以将电缆在磁环上绕几匝，磁环不需要接地，可以直接加到电缆上。为了工程上使用方便，很多厂家提供分体式的磁环，这种磁环可以很容易地卡在电缆上。电缆上套了铁氧体磁环后，共模电流减小的数量取决于原来共模电流回路的阻抗和共模电感的阻抗，从共模辐射的公式可以推导出下面的结论（推导中应用共模电压不变的条件）：

式中 E1—加铁氧体前的电缆辐射强度；

E2—加铁氧体后的电缆辐射强度；

ICM1—加铁氧体前电缆上的共模电流；

ICM2—加铁氧体后电缆上的共模电流；

ZCM2—加铁氧体后的共模环路阻抗；

ZCM1—加铁氧体前的共模环路阻抗；

Z—共模电感的阻抗。

例如，在某一频率下，如果没加磁环时的共模电流回路阻抗为100Ω，加磁环后的电缆共模阻抗为1000Ω，则共模辐射改善为20dB；而如果原来的共模电流环路阻抗为1000Ω，则改善量仅为6dB。为了获得预期的干扰抑制效果，在使用铁氧体磁环时需要注意以下问题。

（1）铁氧体材料的选择：根据要抑制干扰的频率不同，选择不同材料成分和磁导率的铁氧体材料。镍锌铁氧体材料的高频特性好于锰锌铁氧体材料，并且铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，而高频的阻抗越小。这是由于磁导率高的铁氧体材料电导率较高，当导体穿过时，形成电缆与磁环之间的寄生电容较大。

（2）铁氧体磁环的尺寸：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。但内径一定要包紧导线。因此，要获得大的衰减，在磁环内径包紧电缆的前提下，尽量使用体积较大的磁环。

（3）磁环的匝数：增加穿过磁环的匝数可以增加低频的阻抗，但是由于匝间寄生电容增加，高频的阻抗也许会减小。图4-45为磁环的匝数、频率和阻抗的关系曲线。由图可知，当磁环上的线圈匝数从1匝变到2匝和3匝时，低频部分阻抗增大，高频部分的阻抗增加。而当磁环上的线圈匝数进一步增加时，只有低频部分阻抗会增大，高频部分的阻抗反而减小，因此，盲目增加匝数来增加衰减是错误的。实践中，当考虑的核心频率为数十MHz时，磁环匝数为3匝比较合适；当需要抑制的共模电流噪声频带较宽时，可在两个磁环上绕不同的匝数。

例：某设备有两个超标辐射频率点，一个为40MHz，另一个为900MHz。经检查，确定是电缆的共模辐射所致。在电缆上套一个磁环（1/2匝），900MHz的干扰明显减小，不再超标，但是40MHz频率仍然超标。将电缆在磁环上绕3匝，40MHz干扰减小，不再超标，但900MHz超标。为了解决这个问题，使用了两个铁氧体磁环，一个为1/2匝，另一个为3匝。

（4）电缆上铁氧体磁环的个数：增加电缆上的铁氧体磁环的个数，可以增加低频的阻抗，但高频的阻抗会减小。这是因为电缆与磁环之间的寄生电容增加的缘故。

（5）铁氧体磁环的安装位置：一般尽量靠近干扰源或敏感源。对于屏蔽机箱上的电缆，磁环要尽量靠近机箱的电缆进出口。由于铁氧体磁环的效果取决于原来共模环路的阻抗（原来回路的阻抗越低，磁环的效果越明显），因此当原来的电缆两端安装了共模滤波电容时，由于其共模阻抗很低，磁环的效果更明显。

（6）铁氧体磁环应放在电流较高的位置上，一般放在连接线的引出处。

2.选用带有低通滤波器的连接器

滤波连接器是具备滤波功能的连接器，它是在普通电连接器的基础上，经过内部结构改进，增加滤波电路（滤波网络）研制而成的。它既具备普通电连接器的所有功能，又兼具抑制电磁干扰的特性，民用产品很少用，特点和使用注意事项如下：

● 体积小。将滤波电路（滤波网络）设计在连接器内部，为使用设备节省了空间。

● 多功能。将滤波器同连接器金属外壳连接，可同时实现滤波、屏蔽、接地。

● 使用方便。

● 所有芯线都要滤波。因为机箱内外的共模干扰信号会耦合到电缆中的所有导线上，这样电缆中没有经过滤波的芯线会将感应的信号带到机箱内外，产生EMC问题。另外，当频率较高时电缆中导线之间的耦合也非常严重，这样没有经过滤波的导线上的电流会耦合到经过滤波的导线上，造成严重的EMC问题，所以滤波连接器中的芯线都需要滤波。实际上，如果为了降低成本在某些芯线上不安装滤波器是没有必要的，因为现在流行的制造工艺是将电容阵列板安装在连接器中，这种工艺并不会因少几个电容而降低成本。如果有些信号由于频率较高而不允许滤波，则在设计时可以考虑将这些信号连接到单独的连接器上，然后对这些信号线使用屏蔽性能较好的屏蔽电缆。

3.电缆屏蔽

在EMC设计中，电缆进行屏蔽的目的有两方面：

（1）将注入电缆的共模干扰电流通过屏蔽层引导到产品壳体或参考地（金属外壳产品）或PCB中的工作地GND（浮地设备），使屏蔽层中的信号和电缆接口回路受到保护，免受外界干扰。

（2）将信号线中的EMI信号包围在屏蔽层内，使屏蔽层中产生信号线中的共模电流的回流。

谈起电缆的屏蔽，有一个概念不得不提，那就是转移阻抗（Zt）。Zt是当在屏蔽电缆上注入射频电流（图4-46中的Iext）时，中心导体与屏蔽层之间的电位差（图4-46中的Eint）与这个电流的比值，即：

从Zt的单位可知，屏蔽电缆中的感应电压随着屏蔽电缆长度的增加而增加。因此当在屏蔽电缆上注入射频电流Iext时，中心导体上出现的最高感应电压可分别在以下三种情况下估算：

（1）当在低频或屏蔽电缆的长度小于信号电流Iext的1/2波长，并且屏蔽电缆中心导体信号线两端接高阻抗负载或悬空时，可用公式（4.16）：

式中 dU—单位长度电缆下的感应电压（见图4-47）；

dX—单位电缆长度（见图4-47）。

（2）当在低频或屏蔽电缆的长度小于信号电流Iext的1/2波长，并且屏蔽电缆中心导体信号线两端接50Ω负载时（如50Ω同轴电缆），可用公式（4.17）：

式中 dU—单位长度电缆下的感应电压（见图4-47）；

dX—单位电缆长度（见图4-47）。

（3）当在高频或屏蔽电缆的长度大于信号电流Iext的1/2波长，并且屏蔽电缆中心导体信号线两端接50Ω负载时（如50Ω同轴电缆），可用公式（4.18）：

式中 U—中芯导体上的感应电压（见图4-47）；

λ—电缆屏蔽层上电流Iext的波长。

由式（4.16）～式（4.18）可知，对于给定频率，较低的Zt意味着当在屏蔽电缆上注入射频电流时，中心导体上只会产生较低的电压，即对外界干扰具有较高屏蔽效果，同样也说明中心导体上有电压时，屏蔽电缆上感应的电流也较小，即对中心导体产生的骚扰具有较高的屏蔽效果。当屏蔽电缆长度超过信号的1/2波长时，屏蔽电缆应认为是一根传输线，中心导体上的感应电压将不随电缆长度变化。如果一根屏蔽电缆的Zt在整个频率段上仅为几mΩ，那么这根电缆的屏蔽效果是比较好的。同时，具有较低的转移阻抗的屏蔽电缆也意味着具有较好的屏蔽外接干扰的能力和屏蔽本身辐射发射的能力。

例如：一根RG58的同轴电缆长度L大于2m，暴露在频率为100MHz、场强E为8V/m的电磁场中，那么同轴电缆中心导体上感应到的电压UO计算如下：

首先100MHz频率对应的波长λ=3m，则L>（1/2）λ。电磁场引起屏蔽层上的感应电流Is为：

同时，因为L>（1/2）λ，根据式（4.18）可计算同轴电缆中心导体上感应到的电压UO为：

注：根据图4-48可以查得RG 58同轴电缆在频率100MHz的情况下，转移阻抗Zt=0.8Ω/m。

图4-48为各种类型屏蔽电缆的转移阻抗与频率的关系。

由图4-48可知，屏蔽电缆的转移阻抗随频率的增大而增大（即屏蔽效果降低），这是因为高频信号由于趋肤效应，电流将聚集在屏蔽体外表面上流动，导致屏蔽体与内导体之间的互感关系变弱，屏蔽层上流过电流时，内导体中感应出的电压变低，屏蔽层与内导体之间的电位差变大。

工程实践中，屏蔽电缆屏蔽类型的选择往往并不是主要问题，最主要的问题是屏蔽电缆屏蔽层的连接，最常见的问题是“猪尾巴”（Pigtail）效应，主要是以下两方面原因造成的：

（1）电缆屏蔽连接器的金属外壳接触阻抗，表4-3给出了一些常用屏蔽连接器的金属外壳接触阻抗。

（2）电缆屏蔽层与连接器或金属外壳连接时，产品的“猪尾巴”。

总之，屏蔽电缆的屏蔽层一定要进行360°搭接处理。图4-49为电缆屏蔽层接地方式。

从风险的概念来评估电缆屏蔽层连接的设计，在30MHz以上的频率下，屏蔽层电缆具有零长度的“猪尾巴”，没有风险，如图4-50所示，ESD等级可以达到15kV。1cm长度的“猪尾巴”存在30%风险；3cm长度的“猪尾巴”存在50%风险，5cm长度的“猪尾巴”存在70%风险。如图4-51所示，ESD等级只能达到4kV。如图4-52所示，ESD等级仅达2kV。