EMC測試案例分析——屏蔽電纜屏蔽層是雙端接地還是單端接地？

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該文章主要觀點來自于鄭軍奇老師的作品《emc電磁兼容設計與測試案例分析》，歡迎購買老師的作品進行反復拜讀。



本文主要簡要闡述屏蔽電纜屏蔽層是應該雙端接地還是應該單端接地，對其產(chǎn)生的現(xiàn)象進行分析以及提出解決措施，并總結(jié)相關經(jīng)驗。
本案例主要涉及屏蔽層線纜接地以及等電位互聯(lián)問題問題，這個問題在其它的案例分析中也有介紹，如《案例分析——接地方式對輻射發(fā)射的影響》、《EMC的三大法寶之一：接地》、《EMC的三大法寶之一：接地（二）》等，大家可以回顧一下前面的文章。


Part 1



現(xiàn)象描述:
如下圖所示，某系統(tǒng)由兩個產(chǎn)品互聯(lián)組成, 兩個產(chǎn)品之間的互聯(lián)信號電纜采用屏蔽電纜, 在某現(xiàn)場應用中, 發(fā)現(xiàn)屏蔽電纜雙端接地后, 系統(tǒng)會出現(xiàn)異常, 而斷開屏蔽電纜屏蔽層的一端接地后, 發(fā)現(xiàn)異常消失?





本案例中，屏蔽雙端接地為什么會出現(xiàn)系統(tǒng)異常呢？是不是屏蔽線纜不一定要雙端接地呢？接下來會詳細解析。


Part 2

   
原因分析：
對于本案例的問題, 經(jīng)過分析后可以得出如下圖所示的干擾原理圖：




圖中屏蔽電纜互聯(lián)于兩個具有金屬外殼的產(chǎn)品之間。
屏蔽電纜左側(cè)接產(chǎn)品1的殼體, 屏蔽電纜的右側(cè)與產(chǎn)品2的殼體不連接。
當干擾從產(chǎn)品1左側(cè)的電纜注入時, 圖中顯示了主要的干擾電流路徑?
干擾電流越大, 產(chǎn)品1中PCB板受到的干擾越大?
屏蔽電纜的右側(cè)接產(chǎn)品2的金屬殼體時, 會使圖中顯示的共模干擾電流變大（因為產(chǎn)品2也會有干擾通過寄生電容Cp流向外殼）, 于是產(chǎn)品1就出現(xiàn)故障（共模干擾超過閾值）?
這就是本案中出現(xiàn)屏蔽電纜雙端接地后, 系統(tǒng)會出現(xiàn)異常, 而斷開屏蔽電纜屏蔽層的一端接地后, 異常消失的原因?


Part 3


處理措施：
從以上現(xiàn)象與原理分析, 似乎屏蔽電纜只能采用單端接地的方式, 但是事實并非如此（只能說明接地方式不對）?
上圖只是分析了一種干擾情況, 即干擾從產(chǎn)品1的左側(cè)電纜注入。
此時, 屏蔽電纜右側(cè)不與產(chǎn)品2的殼體連接, 會降低產(chǎn)品1所受到的干擾?
實際應用中, 干擾會從各種途徑進入產(chǎn)品, 如下圖所示的是屏蔽層右側(cè)不接殼體干擾從屏蔽電纜注入時的干擾原理分析圖：



從上圖中我們可以看出，當共模干擾電平注入屏蔽電纜屏蔽層時, 屏蔽電纜的屏蔽層在靠近產(chǎn)品2側(cè)處的電位馬上抬高。
然而, 此時屏蔽電纜內(nèi)導體中的電位并沒有同步抬高。
于是位于屏蔽電纜屏蔽層與內(nèi)導體之間的寄生電容CC 兩端出現(xiàn)了可變的電位差。
導致干擾電流從屏蔽層進入屏蔽電纜內(nèi)導體, 從而沿著電纜流入PCB板, 形成上圖中虛線箭頭線示意的干擾電流。
如下圖所示, 如果將屏蔽電纜右側(cè)的屏蔽層接至產(chǎn)品2的殼體：


那么當共模干擾電平注入屏蔽電纜屏蔽層時, 屏蔽電纜的屏蔽層在靠近產(chǎn)品2側(cè)處的電位與產(chǎn)品2殼體的電位 同步抬高。
最終, 干擾電流無法進入產(chǎn)品2的內(nèi)部，產(chǎn)品2內(nèi)部電路得到保護?
因為從屏蔽電纜屏蔽層沿著CC 進入屏蔽電纜內(nèi)的導體, 流向PCB的電流被圖中虛線箭頭表示的電流旁路（類似于水往低處流）。


由此可見, 屏蔽電纜的另一側(cè)也需要接殼體?
那如何解決前面的問題呢？


這就需要用系統(tǒng)的眼光去看待整個產(chǎn)品系統(tǒng)的EMC問題, 如下圖所示的是整個產(chǎn)品系統(tǒng)的完整EMC設計解決方案原理圖：



從圖中可以看出，最終的解決方案是改變產(chǎn)品1中PCB板工作地與金屬殼體之間的互聯(lián)關系。
將PCB的工作地在電纜出/入口的附近與金屬殼體實現(xiàn)等電位互聯(lián)（可以用金屬螺柱）?
等電位互聯(lián)后, 由產(chǎn)品1左側(cè)電纜進入的干擾電流將被旁路在產(chǎn)品1金屬殼體的外側(cè), 干擾電流不再流向產(chǎn)品1的PCB板。
屏蔽電纜右側(cè)屏蔽層接產(chǎn)品2的殼體也將不是問題, 整個系統(tǒng)的EMC問題得到完美解決?






Part 4


思考與啟示：
由以上分析過程我們可以得到以下啟示和結(jié)論：
EMC 問題是一個系統(tǒng)問題, 應該從整體進行全局分析, 而不是僅僅關注個別點, 因此, 產(chǎn)品中某一地方設計改動后EMC結(jié)果發(fā)生改變, 不能證明此EMC結(jié)果就是這個改動造成的, 只能證明此結(jié)果與其有關?
屏蔽電纜的屏蔽層應該雙端接地, 除非與屏蔽電纜互聯(lián)的產(chǎn)品既不怕干擾也不會產(chǎn)生EMI騷擾 (如無源傳感器), 屏蔽電纜屏蔽層應該接被連接產(chǎn)品的金屬殼體, 如果被連接產(chǎn)品是塑料殼體, 則屏蔽層應該接被連接PCB板的工作地?
一根屏蔽電纜有兩端, 可以理解為屏蔽電纜左側(cè)的接地是為了左側(cè)的產(chǎn)品, 右側(cè)的接地是為了右側(cè)的產(chǎn)品（就近原則）?

[/ol]學而時習之，不亦說乎，與家人們共勉！
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