EMC測(cè)試案例分析——屏蔽電纜的 “Pigtail”對(duì)輻射發(fā)射的影響

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該文章主要觀點(diǎn)來(lái)自于鄭軍奇老師的作品《emc電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析》，歡迎購(gòu)買(mǎi)老師的作品進(jìn)行反復(fù)拜讀。



本文主要簡(jiǎn)要講述屏蔽電纜的 “Pigtail”對(duì)輻射發(fā)射的影響分析以及相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。
本案例主要涉及接地問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題在其它的案例分析中也有講述，如《產(chǎn)品中電纜、連接器、接口電路、PCB互聯(lián)對(duì)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(chǎn)品, 其信號(hào)輸出端口使用屏蔽電纜, 對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)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(guò)的測(cè)試頻譜圖如下圖所示：





考慮到測(cè)試的不確定度, 需要對(duì)產(chǎn)品做一些優(yōu)化改進(jìn), 使測(cè)試結(jié)果離限值線有大于6dB的裕量?
經(jīng)過(guò)初步定位, 去掉信號(hào)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(huì)輻射發(fā)射超標(biāo)呢？下面我們?cè)敿?xì)分析。



Part 2

   
原因分析：
一般的輻射發(fā)射問(wèn)題，大多是從線纜上輻射出去的，上面的測(cè)試也在好驗(yàn)證了這點(diǎn)。
從前面的測(cè)試結(jié)果可知, 輻射較高的頻點(diǎn)集中在150~230MHz（波長(zhǎng)為1.3-2m）之間。
又由于該產(chǎn)品的尺寸較小, 只有電纜的長(zhǎng)度與較高輻射頻點(diǎn)的波長(zhǎng)可以比擬。
因此該產(chǎn)品輻射較高肯定與電纜有關(guān)?
從EMI的角度理解, 電纜中增加屏蔽層, 相當(dāng)于給電纜內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生共模電流時(shí)提供了 一條回流路徑。
使得內(nèi)導(dǎo)體的共模電流與屏蔽層回流產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(chǎn)品使用屏蔽電纜, 但是電纜的屏蔽層在接近產(chǎn)品信號(hào)端口的地方擰成 “Pigtail” (豬尾巴) 狀, 長(zhǎng)約 8cm?
下圖可以解釋 “Pigtail” 產(chǎn)生EMC問(wèn)題的原理及其對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)的影響?



由上圖可得，“Pigtail” 的存在等效成一個(gè)共模電壓ΔU, 并且ΔU驅(qū)動(dòng)著與 “Pigtail” 直接相連的信號(hào)線屏蔽層, 從而形成輻射?
要解釋 “Pigtail” 的原理, 可以從轉(zhuǎn)移阻抗的概念來(lái)解釋?
轉(zhuǎn)移阻抗為在屏蔽電纜上注入射頻電流時(shí), 中心導(dǎo)體上的電壓與這個(gè)電流的比值?
對(duì)于給定的頻率, 較低的ZT , 意味著當(dāng)在屏蔽電纜上注入射頻電流時(shí), 中心導(dǎo)體上只會(huì)產(chǎn)生較低的電壓, 即對(duì)外界干擾具有較好的屏蔽效果（EMS）。
同樣也說(shuō)明中心導(dǎo)體上有電壓時(shí), 屏蔽電纜上感應(yīng)的電流也會(huì)較小, 即對(duì)中心導(dǎo)體產(chǎn)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(gè)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(shí), 具有較低的轉(zhuǎn)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(dāng)于在屏蔽層上串聯(lián)了一個(gè)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(chǎn)生一個(gè)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(zhuǎn)移阻抗也將迅速增大, 這樣會(huì)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(zhǎng)，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(gè)較大的壓降UPigtail , 該壓降成為輻射的驅(qū)動(dòng), 屏蔽層變成了天線?


Part 3


處理措施：
根據(jù)以上分析結(jié)果, 要解決此問(wèn)題,只需要將“Pigtail”，將 “Pigtail” 縮短為1cm后, 測(cè)試結(jié)果如下圖所示，測(cè)試通過(guò)。




Part 4


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



2. 如果從風(fēng)險(xiǎn)的概念來(lái)評(píng)估, 據(jù)經(jīng)驗(yàn)：
30MHz以上的頻率下, 屏蔽層電纜具有零長(zhǎng)度的 “Pigtail”, 則沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)
1cm長(zhǎng)度的 “Pigtail” 存在30%風(fēng)險(xiǎn)
3cm長(zhǎng)度的 “Pigtail” 存在50%風(fēng)險(xiǎn)
5cm長(zhǎng)度的 “Pigtail” 存在70%風(fēng)險(xiǎn)?
3. 所有電纜受其寄生電阻? 電容? 電感影響? 先看下面幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子? 可以幫助讀者有個(gè)感性的認(rèn)識(shí):
直徑1mm的導(dǎo)線, 在160MHz時(shí), 其電阻是直流狀態(tài)時(shí)的50倍還要多, 這是趨膚效應(yīng)的結(jié)果。
迫使67%的電流在該頻率處流動(dòng)于導(dǎo)體最外層5μm厚度范圍內(nèi)?
長(zhǎng)度為25mm, 直徑為1mm的導(dǎo)線具有約1pF的寄生電容?
這聽(tīng)起來(lái)似乎微不足道, 但在176MHz 時(shí)呈現(xiàn)大約1kΩ的負(fù)載作用?
若這根25mm長(zhǎng)的導(dǎo)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(hào)驅(qū)動(dòng)。
則在16MHz的11次諧波處, 僅驅(qū)動(dòng)這根導(dǎo)線就有0.45mA的共模電流, 這是一個(gè)導(dǎo)致輻射發(fā)射失敗的危險(xiǎn)電流?
連接器中的引腳長(zhǎng)度約為10mm, 直徑為1mm, 這根導(dǎo)體具有約10nH的自感?
這聽(tīng)起來(lái)也是微不足道的, 但當(dāng)通過(guò)它向母板總線傳輸16MHz的方波信號(hào)時(shí), 若驅(qū)動(dòng)電流為40mA, 則連接器件上的電壓跌落約40mV, 足以引起嚴(yán)重的信號(hào)完整性和或 EMC 方面的問(wèn)題?
1m長(zhǎng)的導(dǎo)線具有約1μH的電感, 把它用于設(shè)備接地, 便會(huì)影響浪涌保護(hù)器和濾波器的效果?
濾波器的100mm長(zhǎng)的地線的自感可達(dá)100nH, 當(dāng)頻率超過(guò)5MHz 時(shí), 會(huì)導(dǎo)致濾波器失效?
經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù): 對(duì)于直徑在2mm以下的導(dǎo)線, 其寄生電容和電感分別是: 1pF/英寸和 1nH/毫米 ? 其簡(jiǎn)單的阻抗計(jì)算關(guān)系式為：




學(xué)而時(shí)習(xí)之，不亦說(shuō)乎，與家人們共勉！
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