Методы снижения эмиссии помех от межблочных кабелей и жгутов

Самым действенным способом снижения эмиссии помех от межблочных электрических связей традиционно считается борьба с антенным эффектом как таковым. Для этого рекомендуют по возможности уменьшить длину кабеля до границы значимости антенного эффекта. Это значит, что длина кабеля должна быть много меньше длины волны передаваемого по нему сигнала. Обычно считается, что антенный эффект кабеля принимается во внимание, если его длина превышает 1/20 длины волны на анализируемой частоте. К сожалению, проводник длиной всего 1 м демонстрирует значимый антенный эффект уже на частоте 15 МГц и при наличии диэлектрического покрытия может резонировать на частоте 60 МГц. Таким образом, практическая применимость этого способа сильно ограничена, хотя требование к минимизации длины межблочных связей встречается во многих стандартах и руководствах по обеспечению ЭМС.

Кроме того, полезно уменьшить площадь излучающего контура, максимально приблизив сигнальный проводник к обратному проводнику. Это достигается использованием в составе жгута двухпроводного кабеля. Однако площадь излучающего контура двухпроводной линии, равная ее длине, помноженной на удвоенную толщину изоляции, может оказаться слишком большой для снижения эмиссии до приемлемого уровня. Следовательно, в идеальном случае провода такого кабеля должны быть свиты с минимальным шагом. При повиве сигнального и обратного проводников вместо одного излучающего контура мы получаем множество излучающих контуров меньшего размера, встречное расположение которых приводит к взаимной компенсации генерируемых ими магнитных полей. Если количество этих контуров четное, то равномерный повив означает нулевую эмиссию помех от сигнальной линии через магнитное поле. К сожалению, четность количества контуров для соединительного кабеля произвольной длины сложно обеспечить технологически. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что для снижения уровня излучаемых помех желательно использовать кабель с большей частотой повива, измеряемой обычно в полных оборотах проводников вокруг оси кабеля на метр длины [1]. В опубликованных результатах повив с частотой 5 об./м позволил уменьшить эмиссию помех примерно на 25 дБ по сравнению с параллельной прокладкой на минимальном расстоянии. Для дальнейшего снижения уровня излучаемых помех на ту же величину понадобилось увеличить количество оборотов до 100 шт. на метр (рис. 1).

Рис. 1. Напряженность электрического поля помехи:
а) от двухпроводной линии;
б) витой пары с частотой повива 5 об./м;
в) витой пары с частотой повива 100 об./м

При этом необходимо помнить, что в зонах заделки витой пары на контакты электрического соединителя всегда присутствует участок нарушения повива, увеличивающий уровень излучаемых кабелем помех. Длина этого участка должна быть минимальной.

Повив проводов сигнальной линии обеспечивает эффективное снижение уровня помех, источником которых являются дифференциальные токи, протекающие по сигнальному проводнику от источника сигнала к приемнику и по расположенному рядом обратному проводнику от приемника к источнику. Но в сложной системе, состоящей из разнесенных в пространстве модулей, всегда существуют синфазные токи, называемые иногда «токами общего вида» [2]. Поскольку синфазные токи обычно обусловлены разностью потенциалов между точками монтажа соединяемых модулей, эти токи протекают по всем проводникам кабеля в одном направлении. Возвратным проводником для этих токов является, как правило, сеть (или поверхность) заземления системы. Таким образом, площадь их излучающего контура на несколько порядков больше, чем у двухпроводного кабеля (рис. 2).

Рис. 2. Пути протекания дифференциальных и синфазных токов

Вследствие этого синфазные токи даже очень малой амплитуды могут привести к повышению уровня излучаемых помех до недопустимого уровня. Например, в кабеле 5-й категории, предназначенном для передачи сигнала данных по стандарту Ethernet, синфазный ток порядка 5 мкА генерирует помеховое поле, сравнимое с тем, которое порождается рабочим дифференциальным током 100 мА.

Радикальный метод борьбы с синфазными токами состоит в изменении схемотехники входных или выходных каскадов, обеспечивающей разрыв токовых петель. Снизить амплитуду синфазных токов можно с помощью выходных фильтров в источнике сигнала. Ослаблению эмиссии помех способствуют экранирование, а также снижение площади излучающей токовой петли, обеспечиваемое прокладкой межблочных электрических связей вплотную к элементам системы заземления.

Экранирование

Эффективность экранирования как при снижении эмиссии помех, так и при снижении чувствительности системы к внешним помехам критически зависит от характеристик излучающей их цепи. В случае экранирования кабельной сети от внешних помех при значительном расстояния до источника и высокой частоте поля на экран кабеля часто воздействует бегущая волна. И наоборот, при необходимости снижения эмиссии помех от кабелей и жгутов почти всегда приходится иметь дело с воздействием электрического или магнитного поля в ближней зоне. Таким образом, у одного и того же экрана могут быть разные характеристики экранирования в ходе испытаний на уровень излучаемых помех и восприимчивость к ним. Для экранирования низкочастотного электрического поля, генерируемого цепями с высоким импедансом, наиболее эффективными являются отражающие экраны. Экранирование магнитного поля в ближней зоне основано на поглощении энергии помехи в токопроводящем экране. Поскольку при снижении частоты магнитного поля поглощение помехи требует использования все более толстых и тяжелых экранов, для борьбы с низкочастотным магнитным полем рекомендуют использовать механизм компенсации, реализуемый, например, в витой паре.

Экранирование может быть полезно не только для защиты от излучаемых помех или снижения их эмиссии. Экран, подключенный с двух концов к системе заземления, снижает разность потенциалов между соединяемыми единицами оборудования. Снижение разности потенциалов означает снижение в соединительных кабелях уровня синфазных токов, определяющих фактический уровень кондуктивных помех.

Наиболее популярными типами экранов, предлагаемых производителями кабельной продукции, являются спиральные проволочные экраны, плетеные экраны и экраны из фольги. Каждый из них имеет определенные преимущества и ограничения как с точки зрения электромагнитной совместимости, так и эксплуатационных характеристик.

Спиральные проволочные экраны имеют оптическую плотность до 97% и отличную гибкость. Однако при повышении частоты спиральная укладка проволок приводит к повышению импеданса такого экрана за счет «эффекта соленоида», что увеличивает долю шума, передаваемого через экран в эфир (рис. 3). Теоретически, токи экрана могут протекать и вдоль оси кабеля через точки непосредственного контакта проволок. Однако сопротивление этого контакта обычно гораздо больше сопротивления тракта вдоль проволоки, поэтому продольные токи спирального экрана невелики. Основное применение спирального экрана — защита от помех в диапазоне аудиочастот [3].

Рис. 3. Образование продольного магнитного поля при протекании экранных токов по спиральной траектории

Плетеные экраны состоят из проволок, спирально укладываемых на поверхность в направлении по часовой стрелке и против нее. Это приводит к взаимной компенсации магнитных потоков, порождаемых токами в проволоках обоих направлений укладки. В результате индуктивный импеданс плетенки существенно меньше, чем у спирального экрана, а диапазон рабочих частот шире. Низкочастотные характеристики плетеного экрана лучше, чем у спирального, из-за практически удвоенной площади поперечного сечения. Оптическая плотность плетеных экранов обычно меньше, чем у спиральных, и редко достигает 95%. Например, оптическая плотность распространенной в РФ экранирующей плетенки ПМЛ составляет 70–80% в зависимости от типоразмера [4]. Специальное технологическое оборудование для оплетения кабелей и разветвленных жгутов позволяет изготовить экран с большей оптической плотностью. Плетеные экраны относительно гибки и имеют высокую прочность на разрыв, но их заделка на соединитель менее технологична, чем у спирального экрана.

Экран из фольги является самым легким и дешевым вариантом защиты от высокочастотных помех. Оптическая плотность таких экранов составляет 100%, поэтому утечки через отверстия, присущие плетеным экранам, отсутствуют. В то же время низкочастотные характеристики фольги уступают плетенке, а умеренная механическая прочность и плохая стойкость к многократным изгибам делают экранированные таким образом кабели непригодными для подвижной прокладки.

Наиболее гибкими являются фольговые экраны со спиральной намоткой ленты, но эффект соленоида, свойственный также рассмотренным спиральным проволочным экранам, ограничивает эффективность экранирования такой конфигурации в области средних частот. Поскольку в области высоких частот частично перекрывающиеся слои экранирующей ленты шунтируются взаимной емкостью, высокочастотные характеристики фольговых экранов спиральной намотки можно считать достаточными для большинства применений. Наилучший способ экранирования предусматривает укладку фольги вдоль защищаемой линии с формированием продольной складки специальной формы, улучшающей качество контакта. Недостатком кабелей с продольной укладкой экранирующего материала является относительно большой допустимый радиус изгиба и возможность нарушения целостности экранирования даже при небольшом количестве циклов изгиба. Большинство кабелей с фольговым экраном имеет дренажный проводник, призванный улучшить продольную проводимость экрана. Однако заземление экрана с помощью этого проводника можно использовать только в диапазоне звуковых частот. Выше 100 кГц индуктивный импеданс дренажного проводника становится недопустимо высоким, что снижает эффективность экранирования [5].

Многослойные экраны повышают эффективность экранирования ценой ухудшения массогабаритных характеристик и гибкости кабельных связей. Чаще всего применяется комбинация фольгового и плетеного экранов, которые компенсируют недостатки друг друга. Фольговый экран в этой паре обеспечивает отсутствие утечек через отверстия при росте частоты, а плетеный улучшает низкочастотные характеристики. Сочетание слоев плетенки из медных проволок и плетенки из стальных проволок позволяет ощутимо улучшить низкочастотные характеристики экранирования.

Инженеры по ЭМС привыкли оценивать качество экрана по традиционному параметру — эффективности экранирования, считая его достаточным для того, чтобы определить наилучшую конструкцию экрана. Однако для большинства случаев это мнение является ошибочным. Эффективность экранирования по определению представляет собой отношение напряженностей электрического и магнитного полей в определенной точке при отсутствии экрана и его наличии. Другими словами, эффективность экранирования является мерой ослабления напряженности поля, обеспечиваемой экраном. Однако для сравнения влияния экранов на уровень помехи только по одному параметру характеристики защищаемых цепей также должны быть одинаковыми. Одинаковыми должны быть длина сигнальной линии, а также расстояние между линией и поверхностью заземления. Эффективность экранирования даже одного и того же экрана может измениться в результате изменения импеданса защищаемого канала. Например, экран с эффективностью 80 дБ на частоте 1 МГц, используемый для защиты цепи с импедансом 10 кОм, обеспечивает эффективность экранирования не более 50 дБ для канала с импедансом 50 Ом. Причина в том, что эффективность экранирования — не столько характеристика самого экрана, сколько характеристика экрана для определенного применения.

Следовательно, для оценки характеристики экрана как такового безотносительно к его последующему применению был предложен другой параметр — полное сопротивление передачи или полное поверхностное сопротивление [6]. Если частота помехи настолько велика, что толщина экрана в несколько раз больше высоты скин-слоя, то по наружной поверхности экрана потечет во много раз меньший ток, чем по внутренней поверхности. Таким образом, индуцируемое «внешним» током поле станет меньше «внутреннего поля» (рис. 4).

Рис. 4. Преобразование токов шума, протекающих по внутренней поверхности экрана, в напряжение шума на наружной поверхности

Протекающий ток образует разность потенциалов, которая на протяженных электрожгутовых экранах существенно выше, чем на корпусах блоков. Разность потенциалов на внешней поверхности экрана, в свою очередь, определяет долю шума, передаваемую от экрана в эфир. Соотношение между напряжением на внешней поверхности экрана и током на внутренней поверхности называется полным поверхностным сопротивлением экрана Z_t:

Z_t = U_Шнаруж/I_Швнутр.

Чем меньше этот параметр, тем лучше экран и тем меньше коэффициент преобразования шумового тока в разность потенциалов на поверхности экрана. На практике полное поверхностное сопротивление качественного экрана составляет около 10 мОм на метр. Таким образом, это сопротивление отражает механизм преобразования токов экрана, наведенных сигнальной линией, в напряжение шума экрана.

На практике такое сопротивление складывается из сопротивления передачи самого экрана, сопротивления в местах сращивания экрана, его заделки на хвостовик или контакт соединителя, сопротивления между корпусами соединителя электрожгута и блочной части на приборе.

Фильтрация

Большинство кабельных линий, соединяющих функциональные блоки системы, должно иметь экранирование для снижения эмиссии помех. Исключения составляют, наверное, только линии низкочастотных сигналов, радиочастотные помехи и переходные процессы в которых можно легко отфильтровать в интерфейсном сегменте печатной платы. Линии, не оснащенные ни экранами, ни фильтрами, представляют собой путь для переноса помехи из оборудования в эфир, где эта помеха может нарушить функционирование других элементов системы.

Основная задача выходного RLC-фильтра — ограничение амплитуды всех гармоник, которые не являются необходимыми для передачи полезного сигнала. В первую очередь это относится к высокочастотным синфазным токам, являющимся, как уже было отмечено, одной из основных причин повышенного уровня излучаемых помех в системе. Полезный сигнал, передаваемый обычно в виде дифференциального, также не должен содержать «лишних» высокочастотных гармоник. «Лишними» в этом случае могут быть признаны как шумы, наведенные на выходной сигнал до его ввода в межблочный кабель, так и высокочастотные гармоники самого рабочего сигнала. Дифференциальный фильтр низких частот способствует сглаживанию фронтов цифровых сигналов, которые можно восстановить на стороне приемника с помощью триггеров Шмидта.

Одно из главных правил фильтрации с целью снижения эмиссии помех в системе требует, чтобы фильтры были установлены как можно ближе к стенке экранирующего корпуса. Это снижает длину «чистого» участка интерфейсной линии и минимизирует наводки на нее. Следовательно, если печатная плата соединена с интерфейсным соединителем проводным монтажом, лучше перенести выходные фильтры с основной платы на дополнительную плату-мезонин. Дополнительную печатную плату монтируют на внутренней поверхности корпуса на минимальном расстоянии от интерфейсного соединителя или непосредственно над ним.

Ферритовые фильтры, часто воспринимаемые разработчиками как «средство последней надежды», предназначены, в основном, для борьбы с синфазными высокочастотными помехами. Установив ферритовое кольцо поверх оболочки кабеля, можно отфильтровать синфазные токи даже в том случае, если спектры синфазной помехи и полезного сигнала перекрываются (рис. 5а). Если установить ферритовое кольцо на каждый проводник, можно отфильтровать и синфазную, и дифференциальную помеху (рис. 5б). Однако в последнем случае необходимо учесть влияние токов смещения, насыщающих ферритовый фильтр и снижающих тем самым его эффективность.

Рис. 5. Использование ферритовых колец в качестве:
а) фильтров синфазных помех;
б) комбинированного фильтра синфазных и дифференциальных помех

Для снижения эмиссии помех ферритовое кольцо устанавливают на кабель как можно ближе к выходному соединителю. Для обеспечения гибкости кабеля в окрестности выходного соединителя допускается установка фильтра на расстоянии не более 1/10 длины волны верхней границы учитываемого спектра помехи [7]. Например, для частотного диапазона до 1 ГГц это расстояние не должно превышать 3 см. Форма ферритового фильтра существенно влияет на эффективность фильтрации. Эффективность фильтрации цельных колец с малым внутренним диаметром, большим наружным диаметром и большой длиной является лучшей. Ферритовые фильтры на защелках, устанавливаемые поверх оболочки кабеля, представляют собой наихудший вариант.

Симметричные каналы

Часто в инженерной среде смешиваются понятия дифференциальных и симметричных каналов передачи сигнала. Часто считают, что использование для передачи сигнала витой пары автоматически означает образование симметричного канала. Для разделения понятий дифференциальной и симметричной линий рассмотрим несколько вариантов схемотехнической реализации канала передачи сигнала, приведенных на рис. 6. Суть дифференциальной передачи электрического сигнала в том, чтобы линия обратного тока располагалась как можно ближе к сигнальной линии, что уменьшает эмиссию помех от линии. Таким образом, на всех рисунках показаны дифференциальные каналы передачи сигнала. При этом источником дифференциального сигнала может быть и несимметричный усилитель в соответствии с рис. 6б. Средой передачи является не только витая пара, но и коаксиальный кабель (рис. 6в), в которых обратный ток также протекает в непосредственной близости от прямого. В случае использования коаксиального кабеля внешний обратный проводник играет в том числе роль экрана и потому абсорбирует все шумовые токи. В этом случае шумовые токи напрямую следуют в приемник.

Рис. 6. Схемы:
а) дифференциального симметричного канала;
б) дифференциального канала с несимметричными драйверами;
в) дифференциального канала с несимметричной средой передачи сигнала

Симметричные дифференциальные каналы, пример которого показан на рис. 6а, строят, как правило, на основе полностью дифференциальных усилителей с дифференциальным входом и выходом. В этих каналах вторая линия несет сигнал, являющийся «зеркальным» отражением сигнала в первой линии. У обеих линий имеется одинаковый импеданс по отношению к сигнальной земле [8]. Таким образом, для передачи полезного сигнала с амплитудой 1 В передаются два сигнала с амплитудой 0,5 В, что фактически позволяет уменьшить ток в линии связи и, соответственно, сократить излучаемые помехи.

Другими словами, совместное использование дифференциальных драйверов и витой пары является обязательным для образования симметричного канала данных. Если дифференциальные драйверы вводят сигнал в несимметричную линию или витая пара используется совместно с несимметричным усилителем, канал не является симметричным. Нарушение симметрии ведет к росту амплитуды синфазных токов.

В тематических журналах периодически возобновляется дискуссия о преимуществах и недостатках использования неэкранированной витой пары по сравнению с экранированной витой парой при прокладке линий высокоскоростного информационного обмена. При использовании несимметричных драйверов небаланс канала на основе витой пары составляет примерно 10–30%, что обычно ведет к росту синфазных токов и превышению стандартных уровней излучаемых помех на 20–25 дБ. Однако при использовании качественных дифференциальных драйверов и хорошего кабеля дисбаланс канала можно сократить до 2%. Таким образом, уровень излучаемых помех как результат протекания синфазных токов уменьшается в 10 раз, то есть на искомые 20 дБ. Аналогичный результат достигается и при использовании однополярных драйверов совместно с согласующими трансформаторами. Для подключения согласующих трансформаторов используются схемы с центральным заземленным контактом, позволяющие выполнять преобразование однополярного сигнала в симметричный и симметричного в однополярный. Такие трансформаторы в зарубежной литературе именуют термином balun, являющимся сокращением от пары слов balanced и unbalanced.

На практике в каналах передачи электрических сигналов всегда в некоторой степени нарушается симметрия, что обусловлено несимметричностью источника, нагрузки и среды передачи сигнала (то есть кабеля). Несимметричность кабеля складывается из резистивной, емкостной и индуктивной несимметричности, определяемой типом заделки экрана. Круговая заделка экрана минимизирует индуктивную несимметричность, а использование отвода — увеличивает. При использовании круговой заделки экрана до частоты 100 кГц индуктивную компоненту несимметричности можно считать пренебрежимо малой [9].

Симметрия неэкранированной витой пары обычно лучше симметрии экранированной витой пары. Это связано с тем, что обеспечить равенство взаимных емкостей «проводник – экран» в случае экранированной пары сложнее, чем взаимную емкость проводников в паре. Изменение толщины изоляции на 50 мкм при номинальной толщине 0,5 мм является причиной возникновения небаланса величиной около 10% из-за разности дистанций «проводник – экран». Следовательно, легко обеспечить небаланс в пределах 2% для 100-Ом неэкранированной пары 5-й категории. Небаланс экранированных витых пар той же категории в 1,5 раза больше — в пределах 3%. Таким образом, в случае простых применений допустимый уровень эмиссии обеспечивается с помощью неэкранированной витой пары и средств повышения симметрии сигнала.

Возникающий в результате небаланса канала перекос сигнала является причиной возникновения в линии импульсных синфазных токов, ответственных за повышение уровня излучаемых помех. Для борьбы с этими токами применяется синфазный фильтр, который вносит дополнительный импеданс для «несимметричных токов» и тем самым снижает перекос дифференциального сигнала [10].

Заключение

Снижение эмиссии помех — один из первых этапов ступенчатого процесса борьбы с помехами для обеспечения электромагнитной совместимости в сложной системе. Результативное прохождение этого этапа не только обеспечивает соответствие системы требованиям к эмиссии излучаемых помех, но и повышает стабильность работы комплекса оборудования в целом. Межблочные кабели являются основными антеннами для излучения помех в диапазоне от единиц до десятков МГц, поэтому вопросам снижения эмиссии помех от них уделяется повышенное внимание.

К сожалению, в рамках одной статьи возможно лишь обозначить основные направления приложения усилий. Детально изучить приемы обеспечения электромагнитной совместимости, касающиеся не только снижения уровня излучаемых межблочными кабелями помех, но и снижения их восприимчивости к помехам, можно на семинарах, проводимых ООО «КРЭЛС» в Санкт-Петербурге, Москве или с выездом на ваше предприятие.