電纜屏蔽是否能解決所有 EMC 難題？

來源：線束世界?作者：?2023-10-10 13:20

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1.背景

1.1 為什么我們需要討論電纜屏蔽？?

?傳統(tǒng)總線系統(tǒng) LIN、CAN、CAN-FD 和 FlexRay 使用非屏蔽電纜運行；

?速度等級越高，電壓幅值越小，

? ?- 對噪音更敏感，

? ?- 更多串擾和噪聲耦合效應(yīng)；

?以太網(wǎng)和高速 SerDes 通信具有高達 GHz 的功率譜覆蓋范圍，這對車載無線電系統(tǒng)有潛在影響。

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1.2 使用屏蔽電纜被視為一種解決方案

?如今，屏蔽電纜已經(jīng)在汽車中用于特定應(yīng)用：例如，側(cè)重于模擬數(shù)據(jù)應(yīng)用的無線電天線；

如今，屏蔽電纜也用于無線電天線附近的數(shù)據(jù)通信。A/FM：振幅/頻率調(diào)制

?DAB：數(shù)字模擬廣播?

?DVB：數(shù)字視頻廣播

?PSD：功率譜

?LIN：本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

?CAN：控制器局域網(wǎng)

?CAN-FD：靈活的數(shù)據(jù)速率 CAN

1.3 我們打算通過使用屏蔽電纜來實現(xiàn)什么？

?通過使用屏蔽電纜，目的是通過以下目標防止現(xiàn)有噪聲源進入敏感子系統(tǒng)：

?1. 減少電場引起的電容耦合干擾;?

?2. 通過低阻抗路徑消除共模干擾;

?3. 用屏蔽消除感應(yīng)耦合磁場輻射,

? ? ? - 對于 STP 電纜，這是通過絞合信號導(dǎo)體對實現(xiàn)的,??

? ? ?- 然而，對于單芯電纜，如果屏蔽層上的電流與信號導(dǎo)體上的電流相等且相反，則可以消除這些輻射

?4. 獲得額外的 EMC 裕度è適當?shù)幕芈访娣e減少和適當?shù)钠帘谓K端耦合衰減（不平衡和屏蔽衰減）

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未直接連接使用屏蔽電纜的期望是：?

?- 防止和消除耦合磁場噪聲源。這與屏蔽接地回路面積以及如何實現(xiàn)屏蔽接地端接密切相關(guān)。因此，通過減少回路面積和適當?shù)钠帘味私?，可以實現(xiàn)電纜屏蔽對磁場噪聲源的有效性。

2.?新舊系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 過去的數(shù)字音頻廣播（DAB）頻率

? 傳統(tǒng)總線系統(tǒng)（如 LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay）僅使用低于臨界頻率的頻率，如調(diào)頻（FM）或 DAB 頻段?

? ?? 在過去，振幅調(diào)制（AM）頻帶對于 EMC 挑戰(zhàn)更為關(guān)鍵

? 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)伴隨著新的挑戰(zhàn):?

? - 例如 DAB，它需要高質(zhì)量的無線電接收;?

? - 為了有效地使用 DAB，無線電天線設(shè)計師提高了相應(yīng)天線的靈敏度；

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巴伐利亞州農(nóng)村地區(qū)的功率譜，DAB 比 FM 電臺低 15dB

2.2 過去，DAB 頻率不受影響?

下圖顯示了近距離操作 DAB 測試接收器對 1000BASE-T1UTP 數(shù)據(jù)鏈路的影響：

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DAB 容易受到 1000BASE-T1 數(shù)據(jù)流量的干擾

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寶馬改變了 1000BASE-T1 場景從 UTP 到 STP

2.3 多端口連接器–過去與現(xiàn)在

過去一代多端口連接器

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現(xiàn)在一代多端口連接器

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? ?10MHz 以下幾乎沒有串擾效應(yīng)；

? ?經(jīng)典總線系統(tǒng)從 10 到 100MHz 每十倍增加 10dB 沒有問題；

? ?對 100BASE-T1 的影響很小，100MHz 以上每十倍增加 15dB；

? ?1000BASE-T1 和串行解串影響。

?2.4 之前：線對對稱性用于 EMI 預(yù)防?

大多數(shù) EMC 問題都是通過使用雙絞線和差分對電纜來解決的，

? ?- 為了部分滿足高速信號傳輸要求，需要定義電纜拓撲。?

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2.4.1 100BASE-T1：

由于功率譜密度（PSD）高于 AM 波段，低于 FM 波段，因此這種方法效果良好。

它還將線對對稱性的影響作為 EMI 預(yù)防的主要方法

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2.4.2 1000BASE-T1：

對電纜、連接器和共模扼流圈的對稱方法進行了約束：串擾得到了一個新的主要限制參數(shù)。?

Nyquist 頻率為 375MHz?

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3.?電纜屏蔽的挑戰(zhàn)?

3.1 預(yù)計將采用哪些電纜屏蔽-接地噪聲耦合機制？

?ECU 內(nèi)部產(chǎn)生的噪音?

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直接噪聲源對地耦合

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通過接地分布的噪聲耦合

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3.2 電纜屏蔽層上的感應(yīng)噪聲耦合示例

?3.2.1 沿信道噪聲從源耦合到屏蔽

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3.2.2 測試設(shè)置

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噪聲耦合插入損耗

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至~25MHz 的范圍噪聲耦合增加；

然后它會保持在一定的基準水平，但會產(chǎn)生共振

共振隨電纜長度及其接地線連接長度而變化；作為噪聲源的二階?

附加的接地端子會改變共振?

3.3 屏蔽電纜是否能防止接地諧振？

3.3.1 ?EMC 測試設(shè)置

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測試結(jié)果的初步評估——未觀察到任何異常

然后，觀察到光學(xué)接口 EMI 噪聲高于 kHz 范圍內(nèi)的限值?

ECU 內(nèi)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通過添加沿光學(xué)接口接地線的電阻器內(nèi)部 ECU 噪聲應(yīng)保持較低

? ? ? ? 預(yù)先檢查接地系統(tǒng)的諧振/阻抗行為?

? ? ? ? 電纜屏蔽既不能防止也不能消除接地諧振

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4.防止屏蔽干擾的方法?

4.1 確定系統(tǒng)地面概念定義的優(yōu)先級?

?為了及早防止電纜屏蔽干擾，必須在初始系統(tǒng)設(shè)計階段定義特定的系統(tǒng)接地配置

?4.1.1 通用完整系統(tǒng)地面方案?

? ?根據(jù)信號類型、頻率和電壓水平定義接地。

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4.1.2 在子系統(tǒng)內(nèi)定義接地方案

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4.1.3 系統(tǒng)與子系統(tǒng)地面實施之間必須存在相關(guān)性?

4.2 電纜屏蔽終端和接地回路的關(guān)鍵注意事項?

交流耦合電容器應(yīng)該用在屏蔽的第二端?

? - 這有助于在高頻時保持屏蔽連接，并減少屏蔽接地回路面積，以達到在低頻時所需的斷開接地回路“傳輸回路”范圍有助于最小化磁場?

? - ECU-ECU 和回路內(nèi)的顯示強度以及感應(yīng)噪聲電流連接需要進行自適應(yīng)

屏蔽接地低阻抗路徑這對最大限度地提高效率至關(guān)重要

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單端口連接器端接（例如在串行器處）多端口連接器終端（例如反序列化器）

現(xiàn)場接地環(huán)路動作接收或傳輸單極天線——傳導(dǎo)和輻射微耦合?

將屏蔽接地回路面積減少到設(shè)計的“傳輸回路”范圍內(nèi)，有助于最大限度地降低電磁感應(yīng)強度，從而減少產(chǎn)生的噪聲

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5.結(jié)論?

能夠使用屏蔽電纜對于當前和未來的高數(shù)據(jù)速率通信系統(tǒng)至關(guān)重要。

然而，至關(guān)重要的是，必須采用正確且計劃周密的系統(tǒng)實施方法。首先，預(yù)先定義整個系統(tǒng)接地配置，并在此基礎(chǔ)上定義相應(yīng)的一般屏蔽接地方法。

途徑：

1.通常，接地層并不理想，因此會導(dǎo)致阻抗變化；

2.電纜屏蔽對感應(yīng)耦合噪聲的影響最小，但能有效地消除電場噪聲源；

3.在初始系統(tǒng)設(shè)計階段定義系統(tǒng)接地配置至關(guān)重要；

4.子系統(tǒng)內(nèi)的單點屏蔽接地也有利于消除公共接地阻抗，

5.多點系統(tǒng)接地方案往往在高頻下運行得更好；

6.電纜屏蔽效能受其端接方式的影響，

7.低阻抗屏蔽接地路徑對于實現(xiàn)最大屏蔽效益至關(guān)重要；

8.電纜屏蔽實施還應(yīng)針對根本噪聲源。

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