屏蔽电缆屏蔽层两种接地方式对产品的影响

2018-07-31史贝娜

现代建筑电气 2018年6期

史贝娜

(上海三基电子工业有限公司, 上海 200063)

0 引言

屏蔽电缆的屏蔽层主要由铜、铝等非磁性材料制成,并且厚度很薄,远小于使用频率上金属材料的集肤深度。屏蔽层的效果不是由金属体本身对电场、磁场的反射、吸收而产生的,而是由屏蔽层的接地产生的,接地形式的不同将直接影响屏蔽效果。屏蔽层不接地就起不到屏蔽作用,会对信号造成干扰。众所周知,屏蔽层的作用是将电磁场噪声源与敏感设备隔离,切断噪声源的传播路径。因此,屏蔽电缆的屏蔽层接地极大地影响屏蔽的效果,进而影响到产品的稳定性和可靠性[1-2]。

1 屏蔽层接地概述

1.1 屏蔽层接地

屏蔽层也会耦合电磁噪声,如电缆上的脉冲信号会在没有接地的屏蔽层上形成环形电流,导致屏蔽层不同点有电势差异,引起噪声传递。再如外部的电磁波会在没有接地的屏蔽层上传播(与天线一样)。所以,电缆一般都需要屏蔽层接地,让屏蔽层感应的信号从低阻抗的通道导走,因地信号的阻抗比较低,所以均连接到地。常用的接地点有设备机壳、实验室的地线、住家的220 V保护地(连接到建筑物的地)。

1.2 屏蔽层接地方式

屏蔽层接地通常采用两种方式来处理:屏蔽层单端接地和屏蔽层双端接地[3-4]。

(1) 屏蔽层单端接地是在屏蔽电缆的一端将金属屏蔽层直接接地,另一端不接地或通过保护接地。在屏蔽层单端接地情况下,非接地端的金属屏蔽层对地之间有感应电压存在,感应电压与电缆的长度成正比,但屏蔽层无电势环流通过。单端接地就是利用抑制电势电位差来达到消除电磁干扰的目的。

这种接地方式适合长度较短的线路,所对应的感应电压不能超过安全电压。静电感应电压的存在将影响电路信号的稳定,有时可能会形成天线效应。

(2) 双端接地是将屏蔽电缆的金属屏蔽层两端均接地。在屏蔽层双端接地情况下,金属屏蔽层不会产生感应电压,但金属屏蔽层受干扰磁通影响将产生屏蔽环流,如果地点A和地点B的电势不相等,将形成很大的电势环流,会对信号产生抵消衰减效果。动力电缆线两边接地,电机端的PE必然要接在驱动端的PE上,并最终接入机箱内的大地汇流排。

屏蔽电缆的屏蔽层接地方式一直是工程领域中讨论的话题,工程设计者经常会碰到一些实际的案例,某些产品的屏蔽电缆采用单端接地时系统更稳定,而某些产品的屏蔽电缆采用双端接地后系统更稳定。

2 屏蔽层接地问题分析

2.1 问题描述

某系统由两个产品互联组成,两个产品之间的互联信号电缆采用屏蔽电缆,在某现场应用中发现,屏蔽电缆双端接地后系统会出现异常,而断开屏蔽电缆屏蔽层的一端接地后发现异常情况消失。

2.2 原因分析

经过分析该案例,干扰分析原理如图1所示。图1中,屏蔽电缆互联于两个金属外壳的产品之间,屏蔽电缆左侧接产品1的壳体,屏蔽电缆的右侧与产品2的壳体不连接。干扰从产品1左侧的电缆注入,显示了主要的干扰电流路径。干扰电流越大,产品1中PCB板受到的干扰越大。屏蔽电缆的右侧接产品2的金属壳体时,会使显示的共模干扰电流变大,于是产品1出现故障。这就是该案例中屏蔽电缆双端接地后系统会出现异常,而断开屏蔽电缆屏蔽层一端接地后异常情况消失的原因。

图1 干扰分析原理

2.3 处理措施

从以上现象与原理分析,屏蔽电缆只能采用单端接地,但是事实并非如此。图1 只分析了一种干扰情况,即干扰从产品1的左侧电缆注入,此时屏蔽电缆右侧不与产品2的壳体连接,降低产品1所受到的干扰。实际应用中,干扰会从各种途径进入产品。屏蔽层右侧不接壳体时干扰从屏蔽电缆注入的干扰原理如图2所示。

由图2可知,当共模干扰电平注入屏蔽电缆屏蔽层时,屏蔽电缆的屏蔽层在靠近产品2侧处的电位立即抬高,此时屏蔽电缆内导体的电位并没有同步抬高,于是位于屏蔽电缆屏蔽层与内导体之间的寄生电容Cc两端出现可变的电位差,导致干扰电流从屏蔽层进入屏蔽电缆内导体,沿着电缆流入PCB板,形成图2中虚线箭头线表示的干扰电流。

屏蔽层右侧接壳体时干扰从屏蔽电缆注入的干扰原理如图3所示。