陳明中，林天靜，阮 翔

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，浙江 杭州310012）

0 引言

機(jī)箱內(nèi)部電纜間的串?dāng)_會導(dǎo)致產(chǎn)品性能降低甚至失效，大量的電磁干擾（EMI）信號通過電纜間的串?dāng)_來傳播。為確保整個設(shè)備安全可靠地工作，就必須解決機(jī)箱內(nèi)部電纜間串?dāng)_帶來的不良影響。以往很多電磁兼容試驗(yàn)中，在出現(xiàn)輻射超標(biāo)時，把設(shè)備內(nèi)部線纜捋捋便通過試驗(yàn)，這就是因?yàn)閷?dǎo)線之間布線不合理，導(dǎo)致了電纜間的串?dāng)_。

在惡劣的電磁環(huán)境中，大量的電磁干擾導(dǎo)致電纜間的串?dāng)_會更加嚴(yán)重，所以電子產(chǎn)品要保持良好的性能，必須考慮電纜的電磁兼容布線設(shè)計。因此本文對電纜布線的電磁兼容進(jìn)行研究，對于電子設(shè)備在抗惡劣環(huán)境中的使用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電纜間串?dāng)_的原因及判斷方法

1.1 電纜間串?dāng)_的原因

兩根導(dǎo)線靠得比較近，之間就會發(fā)生信號的串?dāng)_。串?dāng)_是指一根導(dǎo)線上的能量感應(yīng)到了另一根導(dǎo)線上，并對另一根導(dǎo)線上的信號產(chǎn)生了干擾。兩根導(dǎo)線間存在分布電容和互感是導(dǎo)致串?dāng)_的原因。

（1）容性耦合

圖1 電容耦合模型

從公式（1）中可以看出，電容耦合的強(qiáng)度直接與信號頻率、被干擾導(dǎo)體對地電阻、導(dǎo)體之間的電容成正比。

從公式（2）中可以看出，電容耦合的強(qiáng)度與頻率和電路的阻抗都無關(guān)，而僅與兩個導(dǎo)體之間的電容和接收導(dǎo)體與地之間的電容有關(guān)，這些參數(shù)都與導(dǎo)線的布線直接相關(guān)。

（2）互感耦合

導(dǎo)線之間的互感性串?dāng)_如圖2所示，當(dāng)回路1中有電流I1流過時，不僅會在回路1中產(chǎn)生磁通φ，而且會在電路2中產(chǎn)生磁通φ12，回路2中的磁通量φ12，與電流I1之間通過一個系數(shù)M來確定，M就是互感。

圖2 互感耦合模型

根據(jù)電磁感應(yīng)定率，當(dāng)一個閉合回路的磁場發(fā)生變化時，就會在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此φ12在回路2中產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，電壓值為：

這說明回路1中的能量耦合進(jìn)了回路2形成干擾電壓，并且該電壓是回路1中電流的微分。可以看出，互感耦合的強(qiáng)度與回路面積、導(dǎo)線間距、干擾電流大小等因素相關(guān)，但一般干擾電流是固定的，只能通過調(diào)整回路面積和導(dǎo)線間距來解決問題，而這些參數(shù)與導(dǎo)線的布線有直接的關(guān)系。

1.2 電纜串?dāng)_判斷方法

當(dāng)發(fā)現(xiàn)電路中存在干擾時，首先要檢查干擾信號是從哪部分電路中串?dāng)_產(chǎn)生。判斷方法有以下幾種。需要注意的是，信號串?dāng)_不單純是從電纜間產(chǎn)生，在印制板上也會產(chǎn)生類似的信號串?dāng)_。

（1）將被干擾器件附近導(dǎo)線上傳輸?shù)男盘枙簳r去掉，如果干擾消失，就可以確定干擾是由該干擾源產(chǎn)生；

（2）改變懷疑的干擾源信號的頻率，或者對干擾源信號頻率進(jìn)行展頻，比如在潛在干擾信號的輸出端對地并聯(lián)一電容，如果干擾消失或減小，可以確定干擾是從該信號上串?dāng)_過來的；

（3）用示波器同時觀測干擾信號和懷疑的干擾源信號，如果干擾信號與懷疑的干擾源信號相同，可以確定該信號就是干擾源；

（4）改變受干擾導(dǎo)線與干擾源導(dǎo)線之間的距離，如果干擾信號隨著兩者之間的距離增加而減小，可以確定兩根導(dǎo)線之間有串?dāng)_。

2 電纜的分類及機(jī)箱內(nèi)布線

2.1 電纜的分類

電纜間的串?dāng)_與電纜上傳輸信號頻率和信號特點(diǎn)有關(guān)，因此根據(jù)電纜上傳輸?shù)男盘柼攸c(diǎn)對電纜進(jìn)線分類，可以有效減小電纜間的串?dāng)_問題，通常分四類。

（1）第一類電纜：電磁發(fā)射電纜，一般為電源輸入線，必須進(jìn)行屏蔽處理。

（2）第二類電纜：電磁敏感電纜。這類電纜又分兩類：二類甲，非常敏感信號，包括低電平模擬信號線（如傳感器輸出的mV級模擬信號等）、高速數(shù)字通信信號（如網(wǎng)線等）；二類乙，比較敏感信號，包括普通模擬信號（4～20mA，0～10V，低于 1MHz）、低速數(shù)字通信信號（RS-422、RS-485等）以及數(shù)字電平信號，例如VGA信號線、音頻信號線、USB信號線等。二類電纜必須進(jìn)行屏蔽處理[1]。

（3）第三類電纜：既是電磁發(fā)射電纜又是電磁敏感電纜，如時鐘信號電纜、LVDS電纜等。三類電纜必須進(jìn)行屏蔽處理。

（4）第四類電纜：中性電纜，如指示燈電纜、復(fù)位信號電纜等。需要注意的是隨著條件不同，電纜的分類也會轉(zhuǎn)變，例如開關(guān)電源輸出濾波處理不到位，那指示燈電纜就應(yīng)歸為第一類電纜。四類電纜在產(chǎn)品中很少，因此也建議進(jìn)行屏蔽處理。

導(dǎo)線之間發(fā)生串?dāng)_時，一根導(dǎo)線上的信號耦合到了另一根信號線上，造成信號的干擾，這種現(xiàn)象在平行的導(dǎo)線之間很容易產(chǎn)生，因此在電纜布線時，要特別避免平行布線。尤其是當(dāng)導(dǎo)線上傳輸?shù)氖堑碗娖侥M信號時，鄰近導(dǎo)線對其產(chǎn)生的串?dāng)_是造成系統(tǒng)性能下降的主要原因。所以在設(shè)計中，信號線的分組是必須進(jìn)行的設(shè)計項(xiàng)目，通過信號線分組，使可能發(fā)生的串?dāng)_降低到最小。

2.2 機(jī)箱內(nèi)的布線

由于電纜間存在串?dāng)_，而串?dāng)_的強(qiáng)度與電纜布線有直接的關(guān)系，因此機(jī)箱內(nèi)電纜的布線尤為重要，許多電磁兼容問題都是由于布線問題引起。產(chǎn)品設(shè)計時就應(yīng)該對機(jī)箱內(nèi)電纜布線進(jìn)行設(shè)計，了解電流的走向、梳理電纜的分類、明確電纜的布線路徑、確認(rèn)電纜的接地點(diǎn)等。

（1）布線間距

電纜間的串?dāng)_受電纜的分布電容影響巨大，而電纜間的分布電容與電纜的間距有關(guān)，因此布線的時候應(yīng)考慮電纜間的間距要求。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)箱內(nèi)對于長度超過0.5m的電纜，最小間距如圖3所示[2]。但電纜平行走線時，間距應(yīng)增加。另外電纜束附近應(yīng)有一條參考電位的地線，這有益于降低輻射發(fā)射，提高抗擾度。圖3中給出的間距也不是絕對的，有些電纜信號濾波處理恰當(dāng)，或電纜外套有屏蔽等，往往能影響各類電纜間的布線間距，實(shí)際布線應(yīng)該以電磁兼容試驗(yàn)結(jié)果為最終標(biāo)準(zhǔn)。但是各類電纜間間距趨勢還是可以參照的，比如說一類與二類電纜的間距需大于一類與四類電纜的間距。

圖3 不同類型電纜間的布線間距

（2）布線原則

多次電磁兼容試驗(yàn)表明，合理的電纜布線對提高整機(jī)性能的可靠性和電磁兼容性非常有利。根據(jù)上文中電纜間的串?dāng)_分析，以及通過對試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果的歸納，總結(jié)分析機(jī)箱內(nèi)電纜的布線原則如下：

①電源輸入電纜遵循路徑最短、回路面積最小、回路電流最順暢的原則。合理擺放航空接頭、保險絲、濾波器、開關(guān)、電源的位置，使電源輸入線盡可能的短、回路面積盡可能的小。

②電纜的信號線與回線要靠近走線，必要時可以采用雙絞線方式，減小差?；芈访娣e。

③不同類型電纜要各自分類單獨(dú)進(jìn)行捆綁，其中二類電纜中的甲乙類也需分類單獨(dú)捆綁。

④應(yīng)控制一類、二類、三類電纜間的布線間距。

⑤各類線纜布線盡量不要平行走線，可適當(dāng)調(diào)整相對位置與角度。

⑥盡量將線纜貼于機(jī)殼表面走線，減小共模環(huán)路面積。

⑦應(yīng)控制電纜長度，避免環(huán)繞電路走線。

⑧應(yīng)采用多根電源線從主電源向各板卡分別供電。

3 布局對機(jī)箱布線的影響

共模電流的流向和路徑主要取決于電纜與接插件在產(chǎn)品中的位置，而接插件的位置也會影響電纜的布局，因此在產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)考慮共模電流的路徑、敏感電路、騷擾源以及電纜四者之間的關(guān)系，通過合理布置板卡位置以及板卡接插件，使得外界注入電纜的共模電流不能流過敏感板卡和敏感電路，也使得內(nèi)部電路的騷擾源不會流向外界電纜；同時也使得各電纜能夠按布線原則，按類區(qū)分開，避免所有電纜混合在一起。

3.1 板卡布局的影響

板卡的布局，就是將所有敏感電路板卡、所有騷擾源電路板卡分開放置。即將不同類型的板卡進(jìn)行分類布局，不同類型的板卡之間相互隔離。電纜布線盡量避開敏感電路板卡或騷擾源電路板卡，避免電纜干擾板卡或被板卡干擾。所以板卡的布局也會影響電纜分類以及電纜走向，因此板卡的合理布局是電纜布線的必要條件。

在整體方案設(shè)計時，應(yīng)確認(rèn)機(jī)箱內(nèi)的敏感電路、騷擾源電路以及整體電流和信號的流向，以電流和信號的流向?yàn)槟妇€來合理規(guī)劃板卡的設(shè)計，敏感電路板卡和騷擾源電路板卡只掛在母線上，母線不從這些板卡上通過，如圖4所示。這樣不僅有利于布線，也有利于對敏感源和騷擾源的局部處理，例如板卡單獨(dú)屏蔽。

圖4 板卡布局框圖

3.2 PCB接插件布局的影響

PCB接插件布局就是調(diào)整PCB中接插件的位置，使電纜中的共模電流不流過整個印制板及其工作地GND，有效的保護(hù)敏感電路。其中有一種比較好的方法是：將流過共模電流的接插件、電纜集中放置在電路板的同一側(cè)，這樣就可以使共模電流不流過整個印制板及其工作地GND。這個機(jī)理可以用圖5來說明。

圖5 接插件位置與共模電流路徑關(guān)系

如圖5a）所示，接插件在印制板的兩側(cè)，當(dāng)在輸入電纜中注入共模干擾信號時，由于輸出電纜與參考地之間的分布電容，這時相當(dāng)一部分共模干擾電流流過了整個印制板，整個印制板都會受到共模干擾的影響，敏感電路可能出現(xiàn)工作異常。而在圖5b），接插件在印制板的一側(cè)時，共模電流大小并沒有改變，但是共模電流路徑卻發(fā)生了很大的變化。即共模電流自輸入電纜進(jìn)入印制板后，又很快地通過輸出電纜流入大地，這樣就使得大部分印制板受到了保護(hù)。

需要注意的是，不同特性的信號接插件在一塊印制板上時，就需要根據(jù)信號干擾大小靈活處理，干擾越大的在印制板上的路徑越小越好，如圖6所示。當(dāng)然接插件也可以放在印制板的同一側(cè)，如圖7所示。不過放在印制板同一側(cè)還有個好處，就是能夠很容易設(shè)計“干凈地”來降低印制板地線引起的共模電流噪聲[3]。

圖6 接插件位于PCB不同側(cè)

圖7 接插件位于PCB同側(cè)

4 機(jī)箱內(nèi)布線設(shè)計思路探討

目前在機(jī)箱電纜布線過程經(jīng)常會碰到一些問題，這些問題可以分為兩大類。第一類基本上都是方案設(shè)計時未進(jìn)行電纜布線設(shè)計，硬件設(shè)計師、結(jié)構(gòu)設(shè)計師、PCB設(shè)計師都只考慮設(shè)備在功能上的實(shí)現(xiàn)，而且都只考慮各自部分的設(shè)計，相互缺乏溝通和理解，未深度參與整體方案設(shè)計。第二類為可制造性問題，設(shè)計師未考慮可制造性設(shè)計，生產(chǎn)更是按主觀意志進(jìn)行布線制作，導(dǎo)致一致性、重復(fù)性、可靠性差。

針對上述問題，應(yīng)要求硬件設(shè)計師、結(jié)構(gòu)設(shè)計師、PCB設(shè)計師等項(xiàng)目人員深度參與方案設(shè)計。在方案設(shè)計時規(guī)劃好板卡，在電纜設(shè)計時分類好電纜，在PCB設(shè)計時布局好電路，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時確認(rèn)好布線位置，有條件時應(yīng)出具機(jī)箱內(nèi)部電纜布線圖紙，使每根電纜有原理可循、有原則可依、有位置可布。

根據(jù)設(shè)備內(nèi)的布線情況以及電磁兼容整改情況，結(jié)合電纜設(shè)計的電磁兼容分析，本文對機(jī)箱內(nèi)布線提出了一種新的設(shè)計思路。

（1）金屬機(jī)箱

如圖8所示，圖中每根電纜都采用外套屏蔽層設(shè)計，在電纜端口處都采用金屬板壓接的方式與機(jī)殼360°搭接；每類電纜航空插頭分類排列，各類電纜航空插頭間距參照電纜布線間距要求排列；電纜進(jìn)行分類捆綁，不同類電纜之間互不干涉；同時每類電纜都單獨(dú)設(shè)計U型的走線槽，電纜布線完成后，在每個U型走線槽上蓋上金屬蓋板，使每個走線槽都成為屏蔽體，并且使每根電纜在走線槽內(nèi)獲得足夠的壓力，使每根電纜的屏蔽層與屏蔽層或與機(jī)殼之間能夠相互緊貼，保證每根電纜的整個屏蔽層都與機(jī)殼良好搭接。故可以認(rèn)為每根電纜屏蔽層的任何一位置都是與機(jī)殼搭接的，電纜幾乎都是沿著機(jī)殼表面布線，所以都不存在地環(huán)路現(xiàn)象，也就不會有電纜間的串?dāng)_問題，同時每根電纜都具有屏蔽層和走線槽的雙重屏蔽效果。

圖8 電纜設(shè)計與布線設(shè)相圖

（2）非金屬機(jī)箱

不管是金屬機(jī)箱還是非金屬機(jī)箱，電纜間的串?dāng)_原理是一樣的，電纜的分類、布線間距以及布線原則也是相同的。非金屬機(jī)箱電纜設(shè)計時，電纜也需要外套屏蔽層，由于無法像金屬機(jī)箱一樣，使每根屏蔽層與機(jī)殼都良好搭接，因此屏蔽層兩端分別接引出接地端子，引出接地端子長度應(yīng)盡可能短，避免產(chǎn)生“豬尾巴效應(yīng)”。同時將電纜分類捆綁，參照電纜布線間距要求，按相應(yīng)間距布線，當(dāng)無法實(shí)現(xiàn)時，盡量避免長距離平行布線，以減少不同電纜間的串?dāng)_。不同類電纜的屏蔽層接地端子接入不同的參考平面，同一類電纜的屏蔽層接地端子接入同一參考平面，參考平面可以是某區(qū)域機(jī)殼或某類印制板等，使該類電纜參考的地平面相對穩(wěn)定、干凈，避免不同類電纜通過地平面相互影響。

良好的機(jī)箱布線，不僅應(yīng)考慮電磁兼容，還應(yīng)該考慮到設(shè)備的可靠性和可維修性，同時還要從美學(xué)的角度盡量使得布線均勻、美觀。

5 結(jié)語

當(dāng)前，電子設(shè)備的布線是一個相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，良好的布線可使設(shè)備避免許多不必要的干擾，提高設(shè)備的抗干擾能力。面對當(dāng)今惡劣的電磁環(huán)境，應(yīng)該充分考慮電纜的電磁兼容布線，合理利用機(jī)箱內(nèi)部的寶貴空間，按照電纜布線的原則進(jìn)行布線設(shè)計，從而保證電子設(shè)備具有良好的電磁兼容性，滿足惡劣電磁環(huán)境下的使用要求，確保產(chǎn)品具有高質(zhì)量、高可靠性。