电缆屏蔽是否能解决所有 EMC 难题？

来源：线束世界•作者：•2023-10-10 13:20

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1.背景

1.1 为什么我们需要讨论电缆屏蔽？

传统总线系统 LIN、CAN、CAN-FD 和 FlexRay 使用非屏蔽电缆运行；

速度等级越高，电压幅值越小，

- 对噪音更敏感，

- 更多串扰和噪声耦合效应；

以太网和高速 SerDes 通信具有高达 GHz 的功率谱覆盖范围，这对车载无线电系统有潜在影响。

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1.2 使用屏蔽电缆被视为一种解决方案

如今，屏蔽电缆已经在汽车中用于特定应用：例如，侧重于模拟数据应用的无线电天线；

如今，屏蔽电缆也用于无线电天线附近的数据通信。A/FM：振幅/频率调制

DAB：数字模拟广播

DVB：数字视频广播

PSD：功率谱

LIN：本地互联网络

CAN：控制器局域网

CAN-FD：灵活的数据速率 CAN

1.3 我们打算通过使用屏蔽电缆来实现什么？

通过使用屏蔽电缆，目的是通过以下目标防止现有噪声源进入敏感子系统：

1. 减少电场引起的电容耦合干扰;

2. 通过低阻抗路径消除共模干扰;

3. 用屏蔽消除感应耦合磁场辐射,

- 对于 STP 电缆，这是通过绞合信号导体对实现的,

- 然而，对于单芯电缆，如果屏蔽层上的电流与信号导体上的电流相等且相反，则可以消除这些辐射

4. 获得额外的 EMC 裕度è适当的回路面积减少和适当的屏蔽终端耦合衰减（不平衡和屏蔽衰减）

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未直接连接使用屏蔽电缆的期望是：

- 防止和消除耦合磁场噪声源。这与屏蔽接地回路面积以及如何实现屏蔽接地端接密切相关。因此，通过减少回路面积和适当的屏蔽端接，可以实现电缆屏蔽对磁场噪声源的有效性。

2. 新旧系统的实现

2.1 过去的数字音频广播（DAB）频率

传统总线系统（如 LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay）仅使用低于临界频率的频率，如调频（FM）或 DAB 频段

− 在过去，振幅调制（AM）频带对于 EMC 挑战更为关键

现代数字系统伴随着新的挑战:

- 例如 DAB，它需要高质量的无线电接收;

- 为了有效地使用 DAB，无线电天线设计师提高了相应天线的灵敏度；

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巴伐利亚州农村地区的功率谱，DAB 比 FM 电台低 15dB

2.2 过去，DAB 频率不受影响

下图显示了近距离操作 DAB 测试接收器对 1000BASE-T1UTP 数据链路的影响：

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DAB 容易受到 1000BASE-T1 数据流量的干扰

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宝马改变了 1000BASE-T1 场景从 UTP 到 STP

2.3 多端口连接器–过去与现在

过去一代多端口连接器

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现在一代多端口连接器

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10MHz 以下几乎没有串扰效应；

经典总线系统从 10 到 100MHz 每十倍增加 10dB 没有问题；

对 100BASE-T1 的影响很小，100MHz 以上每十倍增加 15dB；

1000BASE-T1 和串行解串影响。

2.4 之前：线对对称性用于 EMI 预防

大多数 EMC 问题都是通过使用双绞线和差分对电缆来解决的，

- 为了部分满足高速信号传输要求，需要定义电缆拓扑。

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2.4.1 100BASE-T1：

由于功率谱密度（PSD）高于 AM 波段，低于 FM 波段，因此这种方法效果良好。

它还将线对对称性的影响作为 EMI 预防的主要方法

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2.4.2 1000BASE-T1：

对电缆、连接器和共模扼流圈的对称方法进行了约束：串扰得到了一个新的主要限制参数。

Nyquist 频率为 375MHz

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3. 电缆屏蔽的挑战

3.1 预计将采用哪些电缆屏蔽-接地噪声耦合机制？

ECU 内部产生的噪音

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直接噪声源对地耦合

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通过接地分布的噪声耦合

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3.2 电缆屏蔽层上的感应噪声耦合示例

3.2.1 沿信道噪声从源耦合到屏蔽

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3.2.2 测试设置

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噪声耦合插入损耗

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至~25MHz 的范围噪声耦合增加；

然后它会保持在一定的基准水平，但会产生共振

共振随电缆长度及其接地线连接长度而变化；作为噪声源的二阶

附加的接地端子会改变共振

3.3 屏蔽电缆是否能防止接地谐振？

3.3.1 EMC 测试设置

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测试结果的初步评估——未观察到任何异常

然后，观察到光学接口 EMI 噪声高于 kHz 范围内的限值

ECU 内的 DC/DC 转换器通过添加沿光学接口接地线的电阻器内部 ECU 噪声应保持较低

预先检查接地系统的谐振/阻抗行为

电缆屏蔽既不能防止也不能消除接地谐振

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4.防止屏蔽干扰的方法

4.1 确定系统地面概念定义的优先级

为了及早防止电缆屏蔽干扰，必须在初始系统设计阶段定义特定的系统接地配置

4.1.1 通用完整系统地面方案

− 根据信号类型、频率和电压水平定义接地。

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4.1.2 在子系统内定义接地方案

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4.1.3 系统与子系统地面实施之间必须存在相关性

4.2 电缆屏蔽终端和接地回路的关键注意事项

交流耦合电容器应该用在屏蔽的第二端

- 这有助于在高频时保持屏蔽连接，并减少屏蔽接地回路面积，以达到在低频时所需的断开接地回路“传输回路”范围有助于最小化磁场

- ECU-ECU 和回路内的显示强度以及感应噪声电流连接需要进行自适应

屏蔽接地低阻抗路径这对最大限度地提高效率至关重要

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单端口连接器端接（例如在串行器处）多端口连接器终端（例如反序列化器）

现场接地环路动作接收或传输单极天线——传导和辐射微耦合

将屏蔽接地回路面积减少到设计的“传输回路”范围内，有助于最大限度地降低电磁感应强度，从而减少产生的噪声

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5.结论

能够使用屏蔽电缆对于当前和未来的高数据速率通信系统至关重要。

然而，至关重要的是，必须采用正确且计划周密的系统实施方法。首先，预先定义整个系统接地配置，并在此基础上定义相应的一般屏蔽接地方法。

途径：

1.通常，接地层并不理想，因此会导致阻抗变化；

2.电缆屏蔽对感应耦合噪声的影响最小，但能有效地消除电场噪声源；

3.在初始系统设计阶段定义系统接地配置至关重要；

4.子系统内的单点屏蔽接地也有利于消除公共接地阻抗，

5.多点系统接地方案往往在高频下运行得更好；

6.电缆屏蔽效能受其端接方式的影响，

7.低阻抗屏蔽接地路径对于实现最大屏蔽效益至关重要；

8.电缆屏蔽实施还应针对根本噪声源。

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