機箱布線的電磁兼容研究

陳明中，林天靜，阮 翔

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，浙江 杭州310012）

0 引言

機箱內部電纜間的串擾會導致產品性能降低甚至失效，大量的電磁干擾（EMI）信號通過電纜間的串擾來傳播。為確保整個設備安全可靠地工作，就必須解決機箱內部電纜間串擾帶來的不良影響。以往很多電磁兼容試驗中，在出現輻射超標時，把設備內部線纜捋捋便通過試驗，這就是因為導線之間布線不合理，導致了電纜間的串擾。

在惡劣的電磁環境中，大量的電磁干擾導致電纜間的串擾會更加嚴重，所以電子產品要保持良好的性能，必須考慮電纜的電磁兼容布線設計。因此本文對電纜布線的電磁兼容進行研究，對于電子設備在抗惡劣環境中的使用具有重要的現實意義。

1 電纜間串擾的原因及判斷方法

1.1 電纜間串擾的原因

兩根導線靠得比較近，之間就會發生信號的串擾。串擾是指一根導線上的能量感應到了另一根導線上，并對另一根導線上的信號產生了干擾。兩根導線間存在分布電容和互感是導致串擾的原因。

（1）容性耦合

圖1 電容耦合模型

從公式（1）中可以看出，電容耦合的強度直接與信號頻率、被干擾導體對地電阻、導體之間的電容成正比。

從公式（2）中可以看出，電容耦合的強度與頻率和電路的阻抗都無關，而僅與兩個導體之間的電容和接收導體與地之間的電容有關，這些參數都與導線的布線直接相關。

（2）互感耦合

導線之間的互感性串擾如圖2所示，當回路1中有電流I1流過時，不僅會在回路1中產生磁通φ，而且會在電路2中產生磁通φ12，回路2中的磁通量φ12，與電流I1之間通過一個系數M來確定，M就是互感。

圖2 互感耦合模型

根據電磁感應定率，當一個閉合回路的磁場發生變化時，就會在回路中產生感應電壓。因此φ12在回路2中產生了感應電壓，電壓值為：

這說明回路1中的能量耦合進了回路2形成干擾電壓，并且該電壓是回路1中電流的微分。可以看出，互感耦合的強度與回路面積、導線間距、干擾電流大小等因素相關，但一般干擾電流是固定的，只能通過調整回路面積和導線間距來解決問題，而這些參數與導線的布線有直接的關系。

1.2 電纜串擾判斷方法

當發現電路中存在干擾時，首先要檢查干擾信號是從哪部分電路中串擾產生。判斷方法有以下幾種。需要注意的是，信號串擾不單純是從電纜間產生，在印制板上也會產生類似的信號串擾。

（1）將被干擾器件附近導線上傳輸的信號暫時去掉，如果干擾消失，就可以確定干擾是由該干擾源產生；

（2）改變懷疑的干擾源信號的頻率，或者對干擾源信號頻率進行展頻，比如在潛在干擾信號的輸出端對地并聯一電容，如果干擾消失或減小，可以確定干擾是從該信號上串擾過來的；

（3）用示波器同時觀測干擾信號和懷疑的干擾源信號，如果干擾信號與懷疑的干擾源信號相同，可以確定該信號就是干擾源；

（4）改變受干擾導線與干擾源導線之間的距離，如果干擾信號隨著兩者之間的距離增加而減小，可以確定兩根導線之間有串擾。

2 電纜的分類及機箱內布線

2.1 電纜的分類

電纜間的串擾與電纜上傳輸信號頻率和信號特點有關，因此根據電纜上傳輸的信號特點對電纜進線分類，可以有效減小電纜間的串擾問題，通常分四類。

（1）第一類電纜：電磁發射電纜，一般為電源輸入線，必須進行屏蔽處理。

（2）第二類電纜：電磁敏感電纜。這類電纜又分兩類：二類甲，非常敏感信號，包括低電平模擬信號線（如傳感器輸出的mV級模擬信號等）、高速數字通信信號（如網線等）；二類乙，比較敏感信號，包括普通模擬信號（4～20mA，0～10V，低于 1MHz）、低速數字通信信號（RS-422、RS-485等）以及數字電平信號，例如VGA信號線、音頻信號線、USB信號線等。二類電纜必須進行屏蔽處理[1]。

（3）第三類電纜：既是電磁發射電纜又是電磁敏感電纜，如時鐘信號電纜、LVDS電纜等。三類電纜必須進行屏蔽處理。

（4）第四類電纜：中性電纜，如指示燈電纜、復位信號電纜等。需要注意的是隨著條件不同，電纜的分類也會轉變，例如開關電源輸出濾波處理不到位，那指示燈電纜就應歸為第一類電纜。四類電纜在產品中很少，因此也建議進行屏蔽處理。

導線之間發生串擾時，一根導線上的信號耦合到了另一根信號線上，造成信號的干擾，這種現象在平行的導線之間很容易產生，因此在電纜布線時，要特別避免平行布線。尤其是當導線上傳輸的是低電平模擬信號時，鄰近導線對其產生的串擾是造成系統性能下降的主要原因。所以在設計中，信號線的分組是必須進行的設計項目，通過信號線分組，使可能發生的串擾降低到最小。

2.2 機箱內的布線

由于電纜間存在串擾，而串擾的強度與電纜布線有直接的關系，因此機箱內電纜的布線尤為重要，許多電磁兼容問題都是由于布線問題引起。產品設計時就應該對機箱內電纜布線進行設計，了解電流的走向、梳理電纜的分類、明確電纜的布線路徑、確認電纜的接地點等。

（1）布線間距

電纜間的串擾受電纜的分布電容影響巨大，而電纜間的分布電容與電纜的間距有關，因此布線的時候應考慮電纜間的間距要求。依據經驗，機箱內對于長度超過0.5m的電纜，最小間距如圖3所示[2]。但電纜平行走線時，間距應增加。另外電纜束附近應有一條參考電位的地線，這有益于降低輻射發射，提高抗擾度。圖3中給出的間距也不是絕對的，有些電纜信號濾波處理恰當，或電纜外套有屏蔽等，往往能影響各類電纜間的布線間距，實際布線應該以電磁兼容試驗結果為最終標準。但是各類電纜間間距趨勢還是可以參照的，比如說一類與二類電纜的間距需大于一類與四類電纜的間距。

圖3 不同類型電纜間的布線間距

（2）布線原則

多次電磁兼容試驗表明，合理的電纜布線對提高整機性能的可靠性和電磁兼容性非常有利。根據上文中電纜間的串擾分析，以及通過對試驗經驗和結果的歸納，總結分析機箱內電纜的布線原則如下：

①電源輸入電纜遵循路徑最短、回路面積最小、回路電流最順暢的原則。合理擺放航空接頭、保險絲、濾波器、開關、電源的位置，使電源輸入線盡可能的短、回路面積盡可能的小。

②電纜的信號線與回線要靠近走線，必要時可以采用雙絞線方式，減小差模回路面積。

③不同類型電纜要各自分類單獨進行捆綁，其中二類電纜中的甲乙類也需分類單獨捆綁。

④應控制一類、二類、三類電纜間的布線間距。

⑤各類線纜布線盡量不要平行走線，可適當調整相對位置與角度。

⑥盡量將線纜貼于機殼表面走線，減小共模環路面積。

⑦應控制電纜長度，避免環繞電路走線。

⑧應采用多根電源線從主電源向各板卡分別供電。

3 布局對機箱布線的影響

共模電流的流向和路徑主要取決于電纜與接插件在產品中的位置，而接插件的位置也會影響電纜的布局，因此在產品設計時，應考慮共模電流的路徑、敏感電路、騷擾源以及電纜四者之間的關系，通過合理布置板卡位置以及板卡接插件，使得外界注入電纜的共模電流不能流過敏感板卡和敏感電路，也使得內部電路的騷擾源不會流向外界電纜；同時也使得各電纜能夠按布線原則，按類區分開，避免所有電纜混合在一起。

3.1 板卡布局的影響

板卡的布局，就是將所有敏感電路板卡、所有騷擾源電路板卡分開放置。即將不同類型的板卡進行分類布局，不同類型的板卡之間相互隔離。電纜布線盡量避開敏感電路板卡或騷擾源電路板卡，避免電纜干擾板卡或被板卡干擾。所以板卡的布局也會影響電纜分類以及電纜走向，因此板卡的合理布局是電纜布線的必要條件。

在整體方案設計時，應確認機箱內的敏感電路、騷擾源電路以及整體電流和信號的流向，以電流和信號的流向為母線來合理規劃板卡的設計，敏感電路板卡和騷擾源電路板卡只掛在母線上，母線不從這些板卡上通過，如圖4所示。這樣不僅有利于布線，也有利于對敏感源和騷擾源的局部處理，例如板卡單獨屏蔽。

圖4 板卡布局框圖

3.2 PCB接插件布局的影響

PCB接插件布局就是調整PCB中接插件的位置，使電纜中的共模電流不流過整個印制板及其工作地GND，有效的保護敏感電路。其中有一種比較好的方法是：將流過共模電流的接插件、電纜集中放置在電路板的同一側，這樣就可以使共模電流不流過整個印制板及其工作地GND。這個機理可以用圖5來說明。

圖5 接插件位置與共模電流路徑關系

如圖5a）所示，接插件在印制板的兩側，當在輸入電纜中注入共模干擾信號時，由于輸出電纜與參考地之間的分布電容，這時相當一部分共模干擾電流流過了整個印制板，整個印制板都會受到共模干擾的影響，敏感電路可能出現工作異常。而在圖5b），接插件在印制板的一側時，共模電流大小并沒有改變，但是共模電流路徑卻發生了很大的變化。即共模電流自輸入電纜進入印制板后，又很快地通過輸出電纜流入大地，這樣就使得大部分印制板受到了保護。

需要注意的是，不同特性的信號接插件在一塊印制板上時，就需要根據信號干擾大小靈活處理，干擾越大的在印制板上的路徑越小越好，如圖6所示。當然接插件也可以放在印制板的同一側，如圖7所示。不過放在印制板同一側還有個好處，就是能夠很容易設計“干凈地”來降低印制板地線引起的共模電流噪聲[3]。

圖6 接插件位于PCB不同側

圖7 接插件位于PCB同側

4 機箱內布線設計思路探討

目前在機箱電纜布線過程經常會碰到一些問題，這些問題可以分為兩大類。第一類基本上都是方案設計時未進行電纜布線設計，硬件設計師、結構設計師、PCB設計師都只考慮設備在功能上的實現，而且都只考慮各自部分的設計，相互缺乏溝通和理解，未深度參與整體方案設計。第二類為可制造性問題，設計師未考慮可制造性設計，生產更是按主觀意志進行布線制作，導致一致性、重復性、可靠性差。

針對上述問題，應要求硬件設計師、結構設計師、PCB設計師等項目人員深度參與方案設計。在方案設計時規劃好板卡，在電纜設計時分類好電纜，在PCB設計時布局好電路，在結構設計時確認好布線位置，有條件時應出具機箱內部電纜布線圖紙，使每根電纜有原理可循、有原則可依、有位置可布。

根據設備內的布線情況以及電磁兼容整改情況，結合電纜設計的電磁兼容分析，本文對機箱內布線提出了一種新的設計思路。

（1）金屬機箱

如圖8所示，圖中每根電纜都采用外套屏蔽層設計，在電纜端口處都采用金屬板壓接的方式與機殼360°搭接；每類電纜航空插頭分類排列，各類電纜航空插頭間距參照電纜布線間距要求排列；電纜進行分類捆綁，不同類電纜之間互不干涉；同時每類電纜都單獨設計U型的走線槽，電纜布線完成后，在每個U型走線槽上蓋上金屬蓋板，使每個走線槽都成為屏蔽體，并且使每根電纜在走線槽內獲得足夠的壓力，使每根電纜的屏蔽層與屏蔽層或與機殼之間能夠相互緊貼，保證每根電纜的整個屏蔽層都與機殼良好搭接。故可以認為每根電纜屏蔽層的任何一位置都是與機殼搭接的，電纜幾乎都是沿著機殼表面布線，所以都不存在地環路現象，也就不會有電纜間的串擾問題，同時每根電纜都具有屏蔽層和走線槽的雙重屏蔽效果。

圖8 電纜設計與布線設相圖

（2）非金屬機箱

不管是金屬機箱還是非金屬機箱，電纜間的串擾原理是一樣的，電纜的分類、布線間距以及布線原則也是相同的。非金屬機箱電纜設計時，電纜也需要外套屏蔽層，由于無法像金屬機箱一樣，使每根屏蔽層與機殼都良好搭接，因此屏蔽層兩端分別接引出接地端子，引出接地端子長度應盡可能短，避免產生“豬尾巴效應”。同時將電纜分類捆綁，參照電纜布線間距要求，按相應間距布線，當無法實現時，盡量避免長距離平行布線，以減少不同電纜間的串擾。不同類電纜的屏蔽層接地端子接入不同的參考平面，同一類電纜的屏蔽層接地端子接入同一參考平面，參考平面可以是某區域機殼或某類印制板等，使該類電纜參考的地平面相對穩定、干凈，避免不同類電纜通過地平面相互影響。

良好的機箱布線，不僅應考慮電磁兼容，還應該考慮到設備的可靠性和可維修性，同時還要從美學的角度盡量使得布線均勻、美觀。

5 結語

當前，電子設備的布線是一個相當重要的環節，良好的布線可使設備避免許多不必要的干擾，提高設備的抗干擾能力。面對當今惡劣的電磁環境，應該充分考慮電纜的電磁兼容布線，合理利用機箱內部的寶貴空間，按照電纜布線的原則進行布線設計，從而保證電子設備具有良好的電磁兼容性，滿足惡劣電磁環境下的使用要求，確保產品具有高質量、高可靠性。