电磁兼容原理和抑制技术(十二)
2010-04-09 15:23:02
来源：《磁性元件与电源》2010年4月刊
3.3.4 隔离变压器
由于普通变压器初、次级绕组之间存在分布电容CW，从而导致地回路耦合的增大。如果采用能减小分布电容CW的隔离变压器，问题就会得到解决。图3.19想说明，只要将虚线框内的变压器换成隔离变压器就可以了。隔离变压器减小分布电容CW的措施是在初、次级绕组之间增设了法拉弟屏蔽层而法拉弟屏蔽层是接地的。因而分布电容CW大大减小。
3.3.5 接地通路中使用射频扼流圈
减小地回路耦合的另一种电磁干扰控制技术，是在机箱机壳到地的通路中使用射频扼流圈。使用射频扼流圈的目的是给50Hz和400Hz的工频电源提供一条低阻抗的安全通路，而对射频沿地的回路都呈现高阻抗。为使该技术工作完满，还必须在电源线中装一只共模扼流圈和在机箱之间提供一条低阻抗的通路，如用AWG2号导线或编织屏蔽套连接两个机箱，如图3.20(a)、(b)中的插图所示。图中曲线(a)对应机箱到机箱1米长的AWG2号导线；(b)对应机箱到机箱1米长的编织屏蔽套，对于其它任何长度的电缆都必须进行修正。
对于射频扼流圈和搭接的下降效果可用下式表示：
(27)
3.3.6 屏蔽体内部的屏蔽壳罩
减小地回路耦合的另一种电磁干扰控制技术，是使设备屏蔽机箱内的屏蔽单元浮地。如图3.21所示。这时，信号参考面可与内部屏蔽层接地。外屏蔽层可直接接地而无需形成低阻抗地回路。现在内屏蔽层对外屏蔽层的电容A/t比代替了原信号参考面浮地的那个A/t比，图3.7与图3.9可再一次用来确定地回路耦合的减小。
因为双层箱壳屏蔽具有与信号参考面浮地相同的定性效果，因而两种技术不会同时使用，因为它们实际上是重复的。无论那一种都会给出图3.7与图3.9所示的改善，但若两种同时使用，仅会得到小的（约6dB）附加改善。
3.3.7 铁氧体吸收体
铁氧体磁环是提供减小高频地回路耦合而不引入显著低频（低于1MHz）损耗的手段。实质上磁环引入了串联电感和有效电阻，在高频时提供高串联阻抗并大量吸收高频能量。
铁氧体磁环可以减小地回路耦合起到抑制共模耦合的作用，或者用来抑制差模干扰。
图3.22说明插入磁环用来抑制共模。而图3.23说明用来抑制差模。注意，对共模抑制而言，两根电缆导体都要穿过磁环，而对差模抑制必须要有一根电缆导体穿过（即每根导线有它自己的磁环）。
除铁氧体磁环外，也可用铁氧体磁棒和磁管来减小地回路耦合。除了共模与差模噪声抑制外，铁氧体吸收体也被用来阻息寄生振荡。这种吸收体安装在电源线以及信号线中。
值得注意的是，铁氧体吸收体的性能随电路阻抗和频率而变。对特定应用而言，必须参照规定的磁环尺寸、材料等等来确定适当的磁环和磁棒。
3.3.8 屏蔽接地
我们可以举一个简单的屏蔽接地例子来说明屏蔽接地的重要性。图3.24(a)表示受害与肇事电路的剖视图。受害电路的2号导线周围有金属屏蔽体，且搭接到地。肇事的1号导线与2号导线的屏蔽体之间有耦合电容Cc'。2号导线与其屏蔽体有较大的电容CC2。等效电路示于图3.24(b)。Cc'，CC2和屏蔽体到地的搭接阻抗Zb实际上形成了一个高通T型滤波器，使1号导线与2号导线之间的耦合减弱。为保持有效的高频隔离，这种搭接阻抗的电感和电阻都必须要小，可以用Zb/Xc'比值来表示法拉第屏蔽所提供的电压分压作用，其中Xc'是导线间耦合电容Cc'的容抗。图3.25(a)表示两根导线都包上一层屏蔽体，(b)表示相应的等效电路。两导线之间的隔离要比仅包上一层屏蔽体的一根导线增加，但增加的程度高度依赖于屏蔽体到地搭接阻抗Zb所起到的高通滤波作用。由于电压分压作用发生在两极当中，所以获得约Zb2/Xc1Xc'总的去耦改善，或者近似按单线屏蔽dB数的两倍。
但是屏蔽接地的问题相当复杂。就远场情况而言，电场电磁干扰的频率通常高于磁场频率，当屏蔽体长度变为波长的重要分数时就产生问题。因此，要预测以某种方式给屏蔽体接地以及接地电路是十分困难的。产生困难是因为即使两个看起来是相同的电路，但其电路阻抗、寄生现象及几何形状也有偏差。
由于在电路参数预测中遇到这种困难，现给出下列一般指南：“象许多电磁干扰问题一样，其它线路接法的性能可能更好，而最好的线路接法则可能是边试边改的结果。”一般合适的屏蔽体接地方法可按前述的检查地回路耦合响应来确定。
但在某些情况下，屏蔽体接地将影响地回路耦合响应。在此情况下，建议同时计算地回路耦合和屏蔽体连接造成的耦合即屏蔽耦合(SC)，首先要找出其中较严重的耦合通路。
与屏蔽耦合有关的问题示于图3.26。可能有若干种接地连接，不过感兴趣的只是两条可能的屏蔽接地连接S1和S2。当屏蔽仅一端接地时，因为共模源阻抗Zs比屏蔽阻抗Zsh小的多，Zsh并不包括在发生器阻抗Zg或负载阻抗ZL的通路之中。所以原有的共模电流振幅不受屏蔽存在的影响。当然对有害的负载电压V0没有影响。这时屏蔽体只会构成共模电流的泄漏通路。
当屏蔽体两端接地时就改变了这种情况。因为屏蔽体具有有限的（即非零的）转移阻抗。转移阻抗定义为由于屏蔽体外部流过电流致使屏蔽体内部导体感应电压而产生可耦合到信号线的电磁干扰电压。此电压最终会影响受害者的输入。转移阻抗定义为：
(28)
其中：V1是每一米长导线上所感应的电压降。在几千赫以上，此电压接近由于屏蔽体和内导线之间的互感而在屏蔽体内部感应的电压。而且，Zt被归一化为：一米电缆长度、非平衡电路及Zg=ZL。
于是屏蔽耦合的差模电磁干扰电压V0为：
(29)
其中：l是以米为单位的电缆长度，而Cb是电路不平衡所产生的去耦，以百分率计。若不知道此参数，则可取下列值作为缺席值：
● 普通廉价屏蔽的双胶线：10%
● 高质量屏蔽双导线馈电线：3%
若两个机箱都接地，则在屏蔽体两端产生全共模电压，且Is≈Vi/Zshl。求得屏蔽耦合如下：
(30)
为确定屏蔽耦合是否重要，此回路耦合与屏蔽耦合都得计算并选择两者中较大的那个，或者把它们同相加在一起。
对平衡电路的屏蔽传输线，可使用下列近似值（基于具有3%不平衡的RG-22/U传输线）：
Zt=(3+j2fMHz) 毫姆欧/米 (31)
Zsh=(3+j3000fMHz) 毫姆欧/米 (32)
图3.27示出对A、B、C三种不同质量的电缆屏蔽和两种不同的负载阻抗ZL和发生器阻抗ZG给出随频率变化的屏蔽耦合dB值。为了进行比较，还示出10米导线长度和不平衡电路与1%不平衡的平衡电路的地回路耦合。
显然在较低频率下屏蔽耦合是显著的，而接地的屏蔽体使地回路耦合变差。因此，对于＜＜λ而言，屏蔽体通常应浮地。屏蔽耦合值仅适用于质量与图3.27中的那些相当的屏蔽电缆。转移阻抗较低的屏蔽体，产生的屏蔽耦合当然比图3.27中所示的数值小。
由于普通变压器初、次级绕组之间存在分布电容CW，从而导致地回路耦合的增大。如果采用能减小分布电容CW的隔离变压器，问题就会得到解决。图3.19想说明，只要将虚线框内的变压器换成隔离变压器就可以了。隔离变压器减小分布电容CW的措施是在初、次级绕组之间增设了法拉弟屏蔽层而法拉弟屏蔽层是接地的。因而分布电容CW大大减小。
3.3.5 接地通路中使用射频扼流圈
减小地回路耦合的另一种电磁干扰控制技术，是在机箱机壳到地的通路中使用射频扼流圈。使用射频扼流圈的目的是给50Hz和400Hz的工频电源提供一条低阻抗的安全通路，而对射频沿地的回路都呈现高阻抗。为使该技术工作完满，还必须在电源线中装一只共模扼流圈和在机箱之间提供一条低阻抗的通路，如用AWG2号导线或编织屏蔽套连接两个机箱，如图3.20(a)、(b)中的插图所示。图中曲线(a)对应机箱到机箱1米长的AWG2号导线；(b)对应机箱到机箱1米长的编织屏蔽套，对于其它任何长度的电缆都必须进行修正。
对于射频扼流圈和搭接的下降效果可用下式表示：
(27)
3.3.6 屏蔽体内部的屏蔽壳罩
减小地回路耦合的另一种电磁干扰控制技术，是使设备屏蔽机箱内的屏蔽单元浮地。如图3.21所示。这时，信号参考面可与内部屏蔽层接地。外屏蔽层可直接接地而无需形成低阻抗地回路。现在内屏蔽层对外屏蔽层的电容A/t比代替了原信号参考面浮地的那个A/t比，图3.7与图3.9可再一次用来确定地回路耦合的减小。
因为双层箱壳屏蔽具有与信号参考面浮地相同的定性效果，因而两种技术不会同时使用，因为它们实际上是重复的。无论那一种都会给出图3.7与图3.9所示的改善，但若两种同时使用，仅会得到小的（约6dB）附加改善。
3.3.7 铁氧体吸收体
铁氧体磁环是提供减小高频地回路耦合而不引入显著低频（低于1MHz）损耗的手段。实质上磁环引入了串联电感和有效电阻，在高频时提供高串联阻抗并大量吸收高频能量。
铁氧体磁环可以减小地回路耦合起到抑制共模耦合的作用，或者用来抑制差模干扰。
图3.22说明插入磁环用来抑制共模。而图3.23说明用来抑制差模。注意，对共模抑制而言，两根电缆导体都要穿过磁环，而对差模抑制必须要有一根电缆导体穿过（即每根导线有它自己的磁环）。
除铁氧体磁环外，也可用铁氧体磁棒和磁管来减小地回路耦合。除了共模与差模噪声抑制外，铁氧体吸收体也被用来阻息寄生振荡。这种吸收体安装在电源线以及信号线中。
值得注意的是，铁氧体吸收体的性能随电路阻抗和频率而变。对特定应用而言，必须参照规定的磁环尺寸、材料等等来确定适当的磁环和磁棒。
3.3.8 屏蔽接地
我们可以举一个简单的屏蔽接地例子来说明屏蔽接地的重要性。图3.24(a)表示受害与肇事电路的剖视图。受害电路的2号导线周围有金属屏蔽体，且搭接到地。肇事的1号导线与2号导线的屏蔽体之间有耦合电容Cc'。2号导线与其屏蔽体有较大的电容CC2。等效电路示于图3.24(b)。Cc'，CC2和屏蔽体到地的搭接阻抗Zb实际上形成了一个高通T型滤波器，使1号导线与2号导线之间的耦合减弱。为保持有效的高频隔离，这种搭接阻抗的电感和电阻都必须要小，可以用Zb/Xc'比值来表示法拉第屏蔽所提供的电压分压作用，其中Xc'是导线间耦合电容Cc'的容抗。图3.25(a)表示两根导线都包上一层屏蔽体，(b)表示相应的等效电路。两导线之间的隔离要比仅包上一层屏蔽体的一根导线增加，但增加的程度高度依赖于屏蔽体到地搭接阻抗Zb所起到的高通滤波作用。由于电压分压作用发生在两极当中，所以获得约Zb2/Xc1Xc'总的去耦改善，或者近似按单线屏蔽dB数的两倍。
但是屏蔽接地的问题相当复杂。就远场情况而言，电场电磁干扰的频率通常高于磁场频率，当屏蔽体长度变为波长的重要分数时就产生问题。因此，要预测以某种方式给屏蔽体接地以及接地电路是十分困难的。产生困难是因为即使两个看起来是相同的电路，但其电路阻抗、寄生现象及几何形状也有偏差。
由于在电路参数预测中遇到这种困难，现给出下列一般指南：“象许多电磁干扰问题一样，其它线路接法的性能可能更好，而最好的线路接法则可能是边试边改的结果。”一般合适的屏蔽体接地方法可按前述的检查地回路耦合响应来确定。
但在某些情况下，屏蔽体接地将影响地回路耦合响应。在此情况下，建议同时计算地回路耦合和屏蔽体连接造成的耦合即屏蔽耦合(SC)，首先要找出其中较严重的耦合通路。
与屏蔽耦合有关的问题示于图3.26。可能有若干种接地连接，不过感兴趣的只是两条可能的屏蔽接地连接S1和S2。当屏蔽仅一端接地时，因为共模源阻抗Zs比屏蔽阻抗Zsh小的多，Zsh并不包括在发生器阻抗Zg或负载阻抗ZL的通路之中。所以原有的共模电流振幅不受屏蔽存在的影响。当然对有害的负载电压V0没有影响。这时屏蔽体只会构成共模电流的泄漏通路。
当屏蔽体两端接地时就改变了这种情况。因为屏蔽体具有有限的（即非零的）转移阻抗。转移阻抗定义为由于屏蔽体外部流过电流致使屏蔽体内部导体感应电压而产生可耦合到信号线的电磁干扰电压。此电压最终会影响受害者的输入。转移阻抗定义为：
(28)
其中：V1是每一米长导线上所感应的电压降。在几千赫以上，此电压接近由于屏蔽体和内导线之间的互感而在屏蔽体内部感应的电压。而且，Zt被归一化为：一米电缆长度、非平衡电路及Zg=ZL。
于是屏蔽耦合的差模电磁干扰电压V0为：
(29)
其中：l是以米为单位的电缆长度，而Cb是电路不平衡所产生的去耦，以百分率计。若不知道此参数，则可取下列值作为缺席值：
● 普通廉价屏蔽的双胶线：10%
● 高质量屏蔽双导线馈电线：3%
若两个机箱都接地，则在屏蔽体两端产生全共模电压，且Is≈Vi/Zshl。求得屏蔽耦合如下：
(30)
为确定屏蔽耦合是否重要，此回路耦合与屏蔽耦合都得计算并选择两者中较大的那个，或者把它们同相加在一起。
对平衡电路的屏蔽传输线，可使用下列近似值（基于具有3%不平衡的RG-22/U传输线）：
Zt=(3+j2fMHz) 毫姆欧/米 (31)
Zsh=(3+j3000fMHz) 毫姆欧/米 (32)
图3.27示出对A、B、C三种不同质量的电缆屏蔽和两种不同的负载阻抗ZL和发生器阻抗ZG给出随频率变化的屏蔽耦合dB值。为了进行比较，还示出10米导线长度和不平衡电路与1%不平衡的平衡电路的地回路耦合。
显然在较低频率下屏蔽耦合是显著的，而接地的屏蔽体使地回路耦合变差。因此，对于＜＜λ而言，屏蔽体通常应浮地。屏蔽耦合值仅适用于质量与图3.27中的那些相当的屏蔽电缆。转移阻抗较低的屏蔽体，产生的屏蔽耦合当然比图3.27中所示的数值小。
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