|
前段时间发了一个问题，即下图，问这个拓扑有什么问题？
同学们也在留言区做了讨论，首先要感谢参与讨论的同学。留言质量很高。每一条留言，我都有认真阅读。有的同学甚至给出了解决方法。有的同学提到杨老师、郑老师也讲过这个问题，足以说明这是一个共性问题。
 到底有什么问题？ 这个电路拓扑存在几个问题，我们先来看最直观的一个问题。如下图所示，电路1和电路2之间互联，这种互联可以是电源的互联，也可以是信号的互联。但无论是电源还是信号，都必然有去有回，需要回流。
如上图所示，红线和蓝线之间间距较大，则存在较大的回流环路。这里无形中形成了一个很大的环形天线，可以接收外部空间的噪声能量，进而对内部电路产生影响。 怎么办？ 针对上面提到的环路问题，怎么办呢？ 两个电路之间的互联，采用紧耦合的方式，尽可能减小回流环路。可以使用屏蔽同轴线、双绞线；如果有多个信号，可以考虑使用带有参考层的FPC线（注意不是FFC线）等等。 顺带提一下，这里提到的双绞线是一种性价比很高的互联方式。它对电场耦合和磁场耦合都有较好的防护效果。 通常技术文章科普到这种程度，有问题有原因有解决方案就算闭环了。但这并不符合硬件微讲堂的习性。我们还要继续向下挖一挖： 为什么双绞线可以对电场耦合和磁场耦合有较好的防护效果？ 如果要定量分析这个问题，并不太容易。我们逐步分解，线说下电场耦合。 两根导线间的电容耦合 针对线束而言的电场耦合，其实是一种容性耦合。简单来说，就是一个信号线对另一对双绞线进行攻击，攻击的物理介质就是两者之间的寄生电容。但是一开始直接讲一根线攻击一对双绞线，涉及3个分析对象，模型有些复杂，我们先聊一下一根线攻击另一根线的情况。
如上图所示，导线1是攻击者，导线2就是被攻击者，两者之间存在寄生电容C12。导线1对地存在寄生电容C1G，导线2对地存在寄生电容C2G。V1是导线1上的信号源，R是导线2的负载，Vn就是导线2上所耦合到的噪声电压。我们就是要分析下Vn的定量关系。 我们对上述模型做进一步简化，如下图所示：
V1、C1G、C12、C2G、R、Vn这些物理量，可以通过上述电路模型联系起来。这样，整个电路就是R和C2G并联后，和C12串联，之后再和C1G并联，Vn就是R||C2G两端的电压。于是就有下面的一些列计算：
当然，上面得出的Vn关系式有些繁琐。我们加上一些前置条件，假如R很小，远小于……
根据欧姆定律，Vn=jwC12V1*R，那么电流I=jwC12V1,相当于是由V1和C12构成的电流源。电路模型做进一步简化，如下图所示。
再假如R很大，远大于……
根据串联分压原理，这里的Vn就是C12和C2G对V1分压后的电压。电路模型做进一步简化，如下图所示。
时间情况是在大多数情况下，导线2对地的阻抗不会很大，所以这种电容耦合可以简化为电流源。  3根导线间的电容耦合 上面我们讨论了2根导线之间的电容耦合。下面我们讨论下3根导线，一根是攻击者，另外两根是双绞线，作为被攻击者。根据前面讨论的内容，我们可以把耦合模型简化如下：
导线1上的V1在导线2上通过寄生电容C12容性耦合的噪声电压为Vn2，导线1上V1在导线3上通过寄生电容C13容性耦合的噪声电压为Vn3。则有：
如前面所述，导线2和导线3是双绞线，两者是紧耦合的状态。那么，导线1和他们两者相邻，甚至缠绕在一起，距离基本相同，可以认为寄生电容C12和C13是相等的。 仅仅是这样，还不太够。如果双绞线终端上的负载R2和R3相差较大，那Vn2和Vn3也会有较大差异。 平衡电路 基于前面所述，寄生电容C12=C13，如果R2和R3再相等，那么Vn2等于Vn3。在什么情况下，R2和R3相等呢？平衡电路，负载要平衡。度娘给出的解释如下。
如下图所示，平衡电路Rs1=Rs2，In1=In2，R2=R3，如此可得出Vn2=Vn3。
可是即便Vn2=Vn3，又怎样呢？ 我们进而可以推导出负载端的压降VL=Is(R2+R3)+Vn2-Vn3。由于Vn2和Vn3相等，电容耦合的噪声电压在负载处可以抵消，则有：VL=Is(R2+R3)
由此也可以得出一个结论：双绞线防护电容耦合（电场耦合），需要有个前提是终端平衡。如果双绞线的终端端不平衡，即便感应电流In2=In3，但由于R2≠R3，电容耦合的噪声电压Vn2≠Vn3，噪声在负载端无法抵消。 磁场耦合的防护 上面是对双绞线对防护电场耦合的探讨。下面我们再探讨下双绞线对磁场耦合的影响。 导线1在有电流流过时会产生磁通，可以通过安培定律来确定磁通的方向。双绞线2和3沉浸在导线1的磁场中，磁力线会穿过双绞线绕城的环。如此一来，在双绞线的每个环中都会感应出感应电动势。
结合导线1的磁通方向及变化趋势，根据法拉第电磁感应定律，可以确定在双绞线的每一个小环中感应电流的方向，如上图中黑色和蓝色箭头。而在同一根到线上，可以看到相邻的两个小环上，电流大小相等，方向相反，感性电流相互抵消。如此，磁场耦合对双绞线中信号的干扰就被有效地减小了。 上面讨论的内容，需要用到楞次定律和右手螺旋法则。定律和法则的具体内容和分析过程这里不做赘述，网上这块的资料很多。 到此，我们已经把双绞线能够有效抑制容性耦合和感性耦合的原因、分析逻辑、推导过程、模型简化都做了解析，相信同学们应该会对双绞线有一个新的认识。 总 结 今天要聊的，基本就这些。梳理下今天讨论的内容： ①感谢同学们在留言区高质量的回复； ②针对电路拓扑提出一个问题：电路互联的环路过大，需要紧耦合； ③指出双绞线可以有效抑制电场耦合和磁场耦合； ④对2导体和3导体的电容耦合进行模型简化、公式推动、定量分析； ⑤增加平衡电路的解析； ⑥对磁场耦合防护过程的解析。 本文的参考文献： 1、Paul《电磁兼容导论》；2、Ott 《电磁兼容工程》 |
|
|
