EMC測試案例分析——屏蔽電纜的 “Pigtail”對輻射發(fā)射的影響

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該文章主要觀點來自于鄭軍奇老師的作品《emc電磁兼容設計與測試案例分析》，歡迎購買老師的作品進行反復拜讀。



本文主要簡要講述屏蔽電纜的 “Pigtail”對輻射發(fā)射的影響分析以及相關應對措施。
本案例主要涉及接地問題，這個問題在其它的案例分析中也有講述，如《產品中電纜、連接器、接口電路、PCB互聯(lián)對EMC的影響概述（一）——線纜》，大家可以翻看前面的一些案例分析。


Part 1



現(xiàn)象描述:
某工業(yè)控制產品, 其信號輸出端口使用屏蔽電纜, 對該產品進行輻射發(fā)射測試時發(fā)現(xiàn), 輻射雖然在CLASS B限值線下但是裕量不足。
其未通過的測試頻譜圖如下圖所示：





考慮到測試的不確定度, 需要對產品做一些優(yōu)化改進, 使測試結果離限值線有大于6dB的裕量?
經(jīng)過初步定位, 去掉信號輸出電纜后輻射很低, 滿足CLASSB要求, 并有6dB以上的裕量?



那本案例中，為什么會輻射發(fā)射超標呢？下面我們詳細分析。



Part 2

   
原因分析：
一般的輻射發(fā)射問題，大多是從線纜上輻射出去的，上面的測試也在好驗證了這點。
從前面的測試結果可知, 輻射較高的頻點集中在150~230MHz（波長為1.3-2m）之間。
又由于該產品的尺寸較小, 只有電纜的長度與較高輻射頻點的波長可以比擬。
因此該產品輻射較高肯定與電纜有關?
從EMI的角度理解, 電纜中增加屏蔽層, 相當于給電纜內導體產生共模電流時提供了 一條回流路徑。
使得內導體的共模電流與屏蔽層回流產生的磁場方向相反, 大小相等, 相互抵消, 從而降低輻射發(fā)射?
本案例中屏蔽電纜的連接方式, 如下圖所示：



由圖中可知, 該產品使用屏蔽電纜, 但是電纜的屏蔽層在接近產品信號端口的地方擰成 “Pigtail” (豬尾巴) 狀, 長約 8cm?
下圖可以解釋 “Pigtail” 產生EMC問題的原理及其對產品帶來的影響?



由上圖可得，“Pigtail” 的存在等效成一個共模電壓ΔU, 并且ΔU驅動著與 “Pigtail” 直接相連的信號線屏蔽層, 從而形成輻射?
要解釋 “Pigtail” 的原理, 可以從轉移阻抗的概念來解釋?
轉移阻抗為在屏蔽電纜上注入射頻電流時, 中心導體上的電壓與這個電流的比值?
對于給定的頻率, 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好的屏蔽效果（EMS）。
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會較小, 即對中心導體產生的騷擾具有較高的屏蔽效果（EMI）?
如果一屏蔽電纜的ZT 在整個頻率段上值僅為數(shù)毫歐, 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(fā)射的能力。
然而 “Pigtail” 的存在, 相當于在屏蔽層上串聯(lián)了一個數(shù)十nH的電感。
它能夠在接口的電纜屏蔽層上因屏蔽層電流的作用而產生一個共模電壓?
從前面的圖中可以看出，隨著頻率的增大, “Pigtail” 連接的等效轉移阻抗也將迅速增大, 這樣會使屏蔽電纜全然失去屏蔽效果?
從圖中還可以看出， 同一頻率下，“Pigtail” 越長，阻抗越大（主要是等效電感變大）。
ZL=2πfL
上圖表示有 “Pigtail” 的屏蔽電纜形成輻射的原理, “Pigtail” 的存在造成了較大的阻抗, 形成了一個較大的壓降UPigtail , 該壓降成為輻射的驅動, 屏蔽層變成了天線?


Part 3


處理措施：
根據(jù)以上分析結果, 要解決此問題,只需要將“Pigtail”，將 “Pigtail” 縮短為1cm后, 測試結果如下圖所示，測試通過。




Part 4


思考與啟示：
由以上分析過程我們可以得到以下啟示和結論：
1. 屏蔽電纜的屏蔽層一定要360°搭接處理?



2. 如果從風險的概念來評估, 據(jù)經(jīng)驗：
30MHz以上的頻率下, 屏蔽層電纜具有零長度的 “Pigtail”, 則沒有風險
1cm長度的 “Pigtail” 存在30%風險
3cm長度的 “Pigtail” 存在50%風險
5cm長度的 “Pigtail” 存在70%風險?
3. 所有電纜受其寄生電阻? 電容? 電感影響? 先看下面幾個簡單的例子? 可以幫助讀者有個感性的認識:
直徑1mm的導線, 在160MHz時, 其電阻是直流狀態(tài)時的50倍還要多, 這是趨膚效應的結果。
迫使67%的電流在該頻率處流動于導體最外層5μm厚度范圍內?
長度為25mm, 直徑為1mm的導線具有約1pF的寄生電容?
這聽起來似乎微不足道, 但在176MHz 時呈現(xiàn)大約1kΩ的負載作用?
若這根25mm長的導線在自由空間中, 由理想的峰-峰電壓為5V? 頻率為16MHz的方波信號驅動。
則在16MHz的11次諧波處, 僅驅動這根導線就有0.45mA的共模電流, 這是一個導致輻射發(fā)射失敗的危險電流?
連接器中的引腳長度約為10mm, 直徑為1mm, 這根導體具有約10nH的自感?
這聽起來也是微不足道的, 但當通過它向母板總線傳輸16MHz的方波信號時, 若驅動電流為40mA, 則連接器件上的電壓跌落約40mV, 足以引起嚴重的信號完整性和或 EMC 方面的問題?
1m長的導線具有約1μH的電感, 把它用于設備接地, 便會影響浪涌保護器和濾波器的效果?
濾波器的100mm長的地線的自感可達100nH, 當頻率超過5MHz 時, 會導致濾波器失效?
經(jīng)驗數(shù)據(jù): 對于直徑在2mm以下的導線, 其寄生電容和電感分別是: 1pF/英寸和 1nH/毫米 ? 其簡單的阻抗計算關系式為：




學而時習之，不亦說乎，與家人們共勉！
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