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屏蔽电缆的“Pigtail”有多大影响

一、现象描述某工业控制产品,其信号输出端口使用屏蔽电缆,对该产品进行辐射发射测试时发现,辐射虽然在CLASS B限值线下但是余量不足,测试频谱图如图1所示。考虑到测试的不确定度,需要做一些改进,使测试结果离限值线有大于6 dB的余量。 图1 未通过的辐射测试频谱图经过初步定位,去掉信号输出电缆后辐射很低,满足CLASS B要求,并有6 dB以上的余量。二、原因分析从测试结果可知,辐射较高的频点集中在150~230 MHz之间,又由于该产品的尺寸较小,只有电缆的长度与较高辐射频点的波长可以比拟,因此该产品辐射较高肯定与电缆有关。屏蔽电缆的连接方式,如图2所示。 图2 信号端电缆连接方式由图2可知,该产品使用屏蔽电缆,但是电缆的屏蔽层在接近产品信号端口的地方拧成Pigtail(猪尾巴)状,长约10 cm。Pigtail是屏蔽电缆设计与使用时常见的EMC问题。图3可以解释Pigtail产生EMC问题的原理及其对产品带来的影响。 图3 辐射形成原理由图3可见,Pig-tail的存在犹如一个共模电压ΔU,并且ΔU驱动着与Pigtail直接相连的信号线屏蔽层,形成辐射。要进一步解释Pigtail的原理,可以从转移阻抗的概念来解释。转移阻抗为在屏蔽电缆上注入射频电流时,中心导体上的电压与这个电流的比值。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会较小,即对中心导体产生的骚扰具有较高的屏蔽效果。如果一屏蔽电缆的ZT 在整个频率段上值仅为几毫欧,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。然而Pigtail的存在,相当于在屏蔽层上串联了一个数十纳亨的电感,它能够在接口的电缆屏蔽层上因屏蔽层电流的作用而产生一个共模电压。随着频率的增大,Pigtail连接的等效转移阻抗也将迅速增大,这样会使屏蔽电缆全然失去屏蔽效果。图3表示有Pigtail的屏蔽电缆形成辐射的原理,“Pigtail”的存在造成了较大的阻抗,形成了一个较大的压降UPigtail,该压降成为辐射的驱动,屏蔽层变成了天线。将Pigtail缩短为1 cm后,测试结果如图4所示。 图4 修改后的测试结果三、思考与启示(1)屏蔽电缆的屏蔽层一定要360°搭接处理。(2)如果从风险的概念来评估,据经验,30 MHz以上的频率下,屏蔽层电缆具有零长度的“Pigtail”,则没有风险;1 cm长度的“Pigtail”存在30%风险;3 cm长度的“Pigtail”存在50%风险;5 cm长度的“Pigtail”存在70%风险。(3)所有电缆受其寄生电阻、电容、电感影响。● 直径1 mm的导线,在160 MHz时,其电阻是直流状态时的50倍还要多,这是趋肤效应的结果,迫使67%的电流在该频率处流动于导体最外层5 μm厚度范围内。● 长度为25 mm,直径为1 mm的导线具有大约1 pF左右的寄生电容。这听起来似乎微不足道,但在176 MHz时呈现大约1 kΩ的负载作用。若这根25 mm长的导线在自由空间中,由理想的峰-峰电压为5 V、频率为16 MHz的方波信号驱动,则在16 MHz的11次谐波处,仅驱动这根导线就有0.45 mA的共模电流,这是一个导致辐射发射失败的危险电流。● 连接器中的引脚长度大约为10 mm,直径为1 mm,这根导体具有大约10 nH左右的自感。这听起来也是微不足道的,但当通过它向母板总线传输16 MHz的方波信号时,若驱动电流为40 mA,则连接器件上的电压跌落大约在40 mV左右,足以引起严重的信号完整性和或EMC方面的问题。●1 m长的导线具有大约1 μH左右的电感,把它用于设备接地,便会影响浪涌保护器和滤波器的效果。● 滤波器的100 mm长的地线的自感可达100 nH,当频率超过5 MHz时,会导致滤波器失效。● 经验数据:对于直径2 mm以下的导线,其寄生电容和电感分别是:1 pF/英寸和1 nH/毫米。