电缆设计手册

电缆设计手册

本章中将讨论如何处理系统电缆来解决静电放电问题。

静电放电（ESD）会产生静电场效应，电荷注入效应和静电放电电流产生的场效应，这在第四章已论述过。正确地布置系统电缆和进行屏蔽设计可有助于解决这三种效应带来的问题。　　

在讨论系统电缆的处理时，为方便起见，将第四章中所提出的三种静电放电效应重新整理成以下两条效应：
　　　　 * 辐射噪声效应
　　　　 * 传导噪声效应
　　 辐射噪声包括泄放电流产生的静磁场，电场和磁场。传导噪声包括直接的电荷注入以及电场和磁场感应的电流。当然，在实际情况下，这些效应并不是彼此独立存在的。但为了简化讨论，我们分别考虑每一种效应。

　　 首先讨论电缆的屏蔽或衰减及传导问题，20kV的电压在空气中的放电距离可达2cm。所以，为了防止电荷注入到电子线路中，设计人员可以采取以下三种措施：
　　 A) 设计设备时，采取措施使操作员不能到达距离电子线路2cm之内内，或接触与电子线路相距2cm以内的未接地金属物件；
　　 B) 将所有电子电路用比空气更好的绝缘物质进行绝缘处理；
　　 C) 提供一个除了电子线路以外的另一个电荷注入对象。
　　 上述措施1与2将在第六章中着重讨论，因为这与屏蔽机箱的设计联系很紧密。而措施3主要取决于系统电缆的设计。如第二章所述，静电放电对象必须有一条到地的路径以消除静电场。
　　 到地的路径必须保持低阻抗。否则，可能有电弧通过电子线路形成的更低阻抗的通路。为了获得低阻抗路径，最重要的是必须保证系统电缆的阻抗较低。对于多数系统，电缆线阻抗相当低，不过高频时由于趋肤效应，阻抗会有所增加。可加大电缆芯线的表面积来缓解这一问题（这将在以下电缆屏蔽的讲述中进一步讨论）。

　　 引起电缆阻抗增加的另一个原因是连接点处的接触阻抗。连接点处的的锈蚀可以产生与趋肤效应差不多的阻抗作用，为了防止锈蚀并使电缆的阻抗较低应考虑以下几个准则：
　　 A) 彼此接触的物体应在电化学序列上相容
　　 在潮湿的环境中，电势不同的金属物体间会发生电化学腐蚀，其程度取决于接触物件的电势差的大小。电势差越大，腐蚀就越严重。表1给出了部分电化学序列表，应当注意的是，每一项中所列的电动势有时可能会发生变化。例如，铍铜有时可与铝配合使用。
　　 根据环境的不同，可允许电动势有较大的波动，在恶劣的海洋环境中，允许的电势差不应超过0.25V。一般情况下，除了与铝搭接外，电势差保持在0.75V以下是没以问题的。例如，镀锌钢板机壳很容易用黄铜接线片与铜接地导线相连。

　　　　 表1 电化学序列表

金 属
 电动势（伏特）
 金 属
 电动势（伏特）
 金 属
 电动势（伏特）
 
镁
 +2.37
 铬
 +0.74
 铅
 +0.13
 
镁合金
 　
 铁或钢
 +0.44
 黄铜
 　
 
铍
 +1.85
 生铁
 　
 铜
 -0.34
 
铝
 +1.66
 镉
 +0.40
 青铜
 　
 
锌
 +0.76
 镍
 +0.25
 铜镍合金
 　
 
锡
 +0.14
 铅锡焊料
 　
 镍合金
 　
 
不锈钢
 　
 银焊料
 　
 银
 -0.80
 
石墨
 　
 铂
 -1.20
 金
 -1.50 
 

　　B) 接触处不应有连续电流流动
　　 除了上述讨论的电化学腐蚀外，还有一种电解腐蚀。电解腐蚀一般是电流通过电解液从在一个金属物体流到另一个金属物体时发生。（潮湿环境中的搭接可以实现电解腐蚀）即使在电势差不存在的金属物体间也会发生电解腐蚀。不过，如果没有电流流动，电解腐蚀就不会发生。很明显，机壳地或屏蔽连接不应有恒定电流流过，因此，这条规则很容易遵守。

　　 C) 尽可能采用阴极材料
　　 阴极材料，比如金，比阳极材料稳定得多，空气能很容易地使阳极材料发生氧化，如铝。另一方面，大家都知道，金不易氧化。很显然，材料的选择有一定的余地，但设计者在使用材料时一定要考虑其氧化性。

　　 如果可采取措施控制材料的氧化和趋肤效应，则影响静电放电电流的主要因素是高频静电放电频率处的电缆的传输线效应。理想情况下，良好的阻抗匹配可保证对泄入到地的系统能量的影响最小，但事实上这是不可能的。系统机壳地不仅包括其内部连接线，而且也包括房屋内交流电源线上的安全地等等。整个地线路径的阻抗在各个连接点必须实现阻抗匹配，这也是实际工作中不可能完全实现阻抗匹配的原因。
　　 然而，尽管这样，低阻抗地线路径仍可能允许大量的静电放电电荷流过，这样可阻止电荷对电子设备的飞弧放电。因为即使一条完全的开路线末端，如果输入线数是四分之一波长的奇数倍，那么，它看起来就象短路一样。同样地，如果输入线数是半波长的整数倍时，短路线末端也如同短路一样，因此，不管地线路径上终端匹配的型式如何，对许多频率成份而言，其阻抗是相对较低的。
　　 然而，对有些频率成份，地线路径的阻抗看起来却相对较高。如同在第四章提到过的，也意味着系统机壳地路径必须与系统电子线路隔离。否则，将在系统的机壳地与其他线间发生飞弧放电。隔离显然就是对电缆进行绝缘处理。不过，在连接点，机壳地与其他电路线间通常会有空气隙（连接器通常没有气密的缝隙）。

　　 D) 机壳接地线及连接器针脚引线与其他导线间的空气隔离大于2.2mm以防止飞弧放电。
　　 可惜的是，大多数连接器针脚间的隔离均小于2.2mm。由于2.2mm这个经验数据比较保守，因此，这种连接器也还是可以采用的。多数D型和DIN型连接器很不错，因为其外壳与针间的距离大约就是2.2mm，因此，机壳地线可方便地与外壳相连。另一种方法是机壳地用一个与其他连接器完全分离的连接器，这种情况下，2.2mm的隔离距离很容易获得。
　　 采取以上步骤减少传导带来的问题后，就需要考虑辐射引起的问题。首要的辐射问题是来自机壳本身的辐射，系统机壳地路径的阻抗不匹配会产生驻波，驻波会使电场和磁场沿系统电缆的分布，因此，必须采取一些方法来减小系统内其他信号线上这些场的效应。
　　 第四章列举了九种减小天线耦合的方法，这九种方法中，仅方法6能有效地隔离电缆线。方法6是在发射机与接收机间安装一屏蔽体，这即是下面的电缆设计规则。

　　 E) 采用屏蔽电缆且将其屏蔽层与机壳地相连
　　 由于趋肤效应，静电放电电流聚集在屏蔽体外表面上流动（这就是导线在高频时表现出较大阻抗的原因之一）。屏蔽体比一般导线具有更大的表面积，这样将减小“趋肤效应阻抗”，也可假定屏蔽体足够厚，静电放电电流将沿着屏蔽体的外表面流动，其内层仍是一个屏蔽体。因此，在场到达电缆内部的其他连线前，屏蔽体的内层可以减小静电放电电流产生的场。

　　 F) 电缆屏蔽层的厚度应至少为0.025mm（在1MHz—5GHz频率范围内，作为屏蔽材料的铜或铝的厚度不必很厚）
　　 一旦采取措施对电缆进行了屏蔽，就要充分发挥它的实际效果。许多设计人员对所谓的“地环路”问题太看重。因此，他们坚持认为电缆层应仅在一端接地。不幸的是，这样做虽然助于减小低频（比如60Hz）噪声问题，但显然会使屏蔽作为一个静电放电路径而失效。这就需要下一个电缆处理措施。

　　 G) 电缆屏蔽必须在其两端高频连接到机壳上
　　　　 * 如果不会形成地环路，或者地环路不是问题（参考以下说明），最好的连接方法是在两端直接用金属连接。一个通常不会形成地环路的例子是，连接终端与键盘的电缆。
　　　　 * 如果会形成地环路，并且会产生问题（参考以下注释）。这时，可将电缆屏蔽层在一端金属连接到机壳上，而另一端则通过一高频电容器连接到机壳上。典型的例子就是计算机与打印机间的互连。当然，关键一点是，计算机与打印机都通过交流插座连接到安全地（“绿色线”）。这会在两个交流插座间形成地环路。
　　 注意：如果在地环路中，互连到一起的电子设备的接地点之间没有电势差，那么地环路未必是问题。总之，电缆屏蔽层端接得越好，地环路产生问题的可能性也就越小。

　　 H) 电缆屏蔽层应在电缆进入设备处连接到机壳上，其未屏蔽部分则应最短。
　　 注意，由于静电放电电流的影响，电缆屏蔽层的外部会产生辐射噪声。靠近PCB板或在屏蔽体内布置的屏蔽电缆，对PCB板或屏蔽体内的每一个部件而言，都可视为一根发射天线。电缆屏蔽层仅屏蔽其内部的导线，使之免受静电放电噪声的干扰。实际上，屏蔽电缆也对其外部的所有设备辐射静电放电噪声。　　同样，将电缆屏蔽层连接到机壳的一条长“小辫” 也是一根发射天线。不要使其围绕在敏感的输入端口附近。当然，长小辫带来的另一个问题是增加了屏蔽连接的阻抗，从而降低了屏蔽效能。
　　 但是，对于那些没有机壳可供连接的系统设计问题该如何解决呢？例如，对于一个塑料外壳的键盘，没有导电的底盘，要将其通过一六芯电缆连接到主机终端，该如何处理呢？

　　 I) 如果电缆一端没有机壳，可采取的方案是：将电缆屏蔽层通过一高频电容器连接到逻辑地。
　　 设计出来的单元电路如没有机壳连接点，那么它不是一个完善的设计方案（第六章中讨论）。然而，如果别无选择，逻辑地只得充当电缆屏蔽层一端的机壳接地点。这决不是一个理想的解决方案，也不可能提高静电放电的抗扰性能。实际上，有时，这反而可能会引起静电放电问题。这种方法能够起作用，关键在于从未屏蔽电缆到各个输入端口处的静电放电辐射是否会比电缆屏蔽层通过电容至逻辑地产生的静电放电噪声耦合更大或更小。总的来说，逻辑接地系统越好，这种办法改善静电放电抗扰性的可能性就越大。
　　 屏蔽耦合电容器所需的额定电压跟其电容与静电放电源的电容的比值直接相关。记住，对一给定的电荷量级，一个物体上的电压大小由其电容量决定。耦合电容由待耦合的频率决定。典型的电缆在逻辑地与屏蔽层之间已经存在几百皮法的电容。因此，再增加几百皮法的电容影响不是很大。为了获得某种显著的效果，从屏蔽层到逻辑地的耦合电容至少为1000pF。另一方面，大的电容具有极大的寄生电感，因此，它不能耦合高频。这即是说，典型的耦合电容应小于0.01μF。（可采取较小电容器的并联连接来获取较好的耦合效果，假定连接的寄生电感可控制得很小。）
　　 容量3900pF，耐压1kV的陶瓷电容最适宜作为耦合电容。该电容与电缆已有的电容并联，会耦合相当宽广的静电放电频率。而且，人体电容在150pF左右，当应用3900pF的耦合电容后，体表20kV的电荷将会减小到小于1kV的水平。
　　 电缆电容的有关讨论随之又带出来有关电缆电感滤波的问题（典型情况是采用铁氧体磁珠）。从静电放电的立场上看，在设计良好的屏蔽电缆上安装共模铁氧体滤波器不总是一个好的办法。因为任何屏蔽都不是理想的，铁氧体内的电缆屏蔽层上的静电放电电流将在屏蔽层中的导线上感应出反向电流。当然，即使没有铁氧体，也有类似的问题，不过铁氧体增加了屏蔽层与内导线间的互感，这样就增加了这种效应。如果电缆线上需要安装铁氧体磁珠（为了减小发射强度以满足美国联邦通信委员会FCC等标准），需遵守以下的规则。

　　 J) 静电放电电流路径不要与其它导线一同穿过铁氧体（如果静电放电路径不经过任何一个铁氧体，则这种情况是最好的）

　　 然而，如果电缆没有屏蔽，或者如果屏蔽层效果不大，静电放电噪声被等量感应（以共模方式）进电缆内的所有导线上，共模铁氧体可能是有用的。在这种情况下，电缆内的所有导线上将会有显著的感应干扰，当然，共模铁氧体将减小这种共模干扰。在这种情况下，可采用以下的规则来处理。

　　 K) 如果在电缆信号线上安装铁氧体磁珠，当将其置于信号线的接收端时，其效果最佳，这样可滤除信号线拾取的噪声。

　　 L) 电缆中多余的导线必须剪去或加以适当的连接
　　 当电缆中的芯线比实际需要的多得多时，用下面两种方法处理这些多余的芯线：
　　　　 * 剪断多余的芯线，这样就不会有悬浮的导线穿过屏蔽体外面；
　　　　 * 将多余的导线与电缆内的其它芯线并联起来。

　　 M) 扁平电缆应每隔一根导线设置一条逻辑地线，而敏感信号线则应设置在地线之间
　　 即使屏蔽的扁平电缆也会有一些磁通量通过。因此，为了使环路面积最小（参考第四章中有关环路面积的讨论），每条信号线都应尽量靠近地线。而且，敏感导线必须尽可能地远离电缆线边缘，因为这些地方最易发生泄漏。

　 电缆设计指南小结
　　 A. 在电化学序列中，彼此远离的两种物质的搭接电压不要超过0.75V。
　　 B. 阳极（多数是正极）材料必须比阴极材料具有较大的未包裹表面。
　　 C. 采用屏蔽电缆，且将其屏蔽层连接到机壳地。机壳与其他元件引脚间的空气距离至少为2.2mm。
　　 D. 屏蔽材料必须至少0.025mm厚。（最好是完全屏蔽的）
　　 E. 将电缆屏蔽层在两端与机壳相连。最好是采取导电连接，但是如果需要阻止明显的地环路问题，那么就需要采用高频（电容）连接。
　　 F. 电缆屏蔽层必须在其进出设备的4cm处连接到机壳，未屏蔽的电缆部分必须小于4cm。
　　 G. 多余的电缆芯线必须剪掉，或者是与其他导线并联连接。
　　 H. 电缆屏蔽层兼作机壳地的情况下，通常不应穿过铁氧体磁珠，也绝不能与其他导线共用铁氧体磁珠。
　　 I. 如果采用铁氧体磁珠，则应将其安装在电缆的接收端。
　　 J. 如果电缆的屏蔽层的一端不能连接到机壳，可将其通过3900pF、1kV的陶瓷电容连接到逻辑地。