電纜設(shè)計(jì)手冊(cè)

本章中將討論如何處理系統(tǒng)電纜來解決靜電放電問題。

靜電放電（ESD）會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)效應(yīng)，電荷注入效應(yīng)和靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)效應(yīng)，這在第四章已論述過。正確地布置系統(tǒng)電纜和進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)可有助于解決這三種效應(yīng)帶來的問題。　　

在討論系統(tǒng)電纜的處理時(shí)，為方便起見，將第四章中所提出的三種靜電放電效應(yīng)重新整理成以下兩條效應(yīng)：
　　　　 * 輻射噪聲效應(yīng)
　　　　 * 傳導(dǎo)噪聲效應(yīng)
　　 輻射噪聲包括泄放電流產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)。傳導(dǎo)噪聲包括直接的電荷注入以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)感應(yīng)的電流。當(dāng)然，在實(shí)際情況下，這些效應(yīng)并不是彼此獨(dú)立存在的。但為了簡(jiǎn)化討論，我們分別考慮每一種效應(yīng)。

　　 首先討論電纜的屏蔽或衰減及傳導(dǎo)問題，20kV的電壓在空氣中的放電距離可達(dá)2cm。所以，為了防止電荷注入到電子線路中，設(shè)計(jì)人員可以采取以下三種措施：
　　 A) 設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)，采取措施使操作員不能到達(dá)距離電子線路2cm之內(nèi)內(nèi)，或接觸與電子線路相距2cm以內(nèi)的未接地金屬物件；
　　 B) 將所有電子電路用比空氣更好的絕緣物質(zhì)進(jìn)行絕緣處理；
　　 C) 提供一個(gè)除了電子線路以外的另一個(gè)電荷注入對(duì)象。
　　 上述措施1與2將在第六章中著重討論，因?yàn)檫@與屏蔽機(jī)箱的設(shè)計(jì)聯(lián)系很緊密。而措施3主要取決于系統(tǒng)電纜的設(shè)計(jì)。如第二章所述，靜電放電對(duì)象必須有一條到地的路徑以消除靜電場(chǎng)。
　　 到地的路徑必須保持低阻抗。否則，可能有電弧通過電子線路形成的更低阻抗的通路。為了獲得低阻抗路徑，最重要的是必須保證系統(tǒng)電纜的阻抗較低。對(duì)于多數(shù)系統(tǒng)，電纜線阻抗相當(dāng)?shù)停贿^高頻時(shí)由于趨膚效應(yīng)，阻抗會(huì)有所增加。可加大電纜芯線的表面積來緩解這一問題（這將在以下電纜屏蔽的講述中進(jìn)一步討論）。

　　 引起電纜阻抗增加的另一個(gè)原因是連接點(diǎn)處的接觸阻抗。連接點(diǎn)處的的銹蝕可以產(chǎn)生與趨膚效應(yīng)差不多的阻抗作用，為了防止銹蝕并使電纜的阻抗較低應(yīng)考慮以下幾個(gè)準(zhǔn)則：
　　 A) 彼此接觸的物體應(yīng)在電化學(xué)序列上相容
　　 在潮濕的環(huán)境中，電勢(shì)不同的金屬物體間會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其程度取決于接觸物件的電勢(shì)差的大小。電勢(shì)差越大，腐蝕就越嚴(yán)重。表1給出了部分電化學(xué)序列表，應(yīng)當(dāng)注意的是，每一項(xiàng)中所列的電動(dòng)勢(shì)有時(shí)可能會(huì)發(fā)生變化。例如，鈹銅有時(shí)可與鋁配合使用。
　　 根據(jù)環(huán)境的不同，可允許電動(dòng)勢(shì)有較大的波動(dòng)，在惡劣的海洋環(huán)境中，允許的電勢(shì)差不應(yīng)超過0.25V。一般情況下，除了與鋁搭接外，電勢(shì)差保持在0.75V以下是沒以問題的。例如，鍍鋅鋼板機(jī)殼很容易用黃銅接線片與銅接地導(dǎo)線相連。

　　　　 表1 電化學(xué)序列表

金 屬
?電動(dòng)勢(shì)（伏特）
?金 屬
?電動(dòng)勢(shì)（伏特）
?金 屬
?電動(dòng)勢(shì)（伏特）
?
鎂
?+2.37
?鉻
?+0.74
?鉛
?+0.13
?
鎂合金
?　
?鐵或鋼
?+0.44
?黃銅
?　
?
鈹
?+1.85
?生鐵
?　
?銅
?-0.34
?
鋁
?+1.66
?鎘
?+0.40
?青銅
?　
?
鋅
?+0.76
?鎳
?+0.25
?銅鎳合金
?　
?
錫
?+0.14
?鉛錫焊料
?　
?鎳合金
?　
?
不銹鋼
?　
?銀焊料
?　
?銀
?-0.80
?
石墨
?　
?鉑
?-1.20
?金
?-1.50?
?

　　B) 接觸處不應(yīng)有連續(xù)電流流動(dòng)
　　 除了上述討論的電化學(xué)腐蝕外，還有一種電解腐蝕。電解腐蝕一般是電流通過電解液從在一個(gè)金屬物體流到另一個(gè)金屬物體時(shí)發(fā)生。（潮濕環(huán)境中的搭接可以實(shí)現(xiàn)電解腐蝕）即使在電勢(shì)差不存在的金屬物體間也會(huì)發(fā)生電解腐蝕。不過，如果沒有電流流動(dòng)，電解腐蝕就不會(huì)發(fā)生。很明顯，機(jī)殼地或屏蔽連接不應(yīng)有恒定電流流過，因此，這條規(guī)則很容易遵守。

　　 C) 盡可能采用陰極材料
　　 陰極材料，比如金，比陽(yáng)極材料穩(wěn)定得多，空氣能很容易地使陽(yáng)極材料發(fā)生氧化，如鋁。另一方面，大家都知道，金不易氧化。很顯然，材料的選擇有一定的余地，但設(shè)計(jì)者在使用材料時(shí)一定要考慮其氧化性。

　　 如果可采取措施控制材料的氧化和趨膚效應(yīng)，則影響靜電放電電流的主要因素是高頻靜電放電頻率處的電纜的傳輸線效應(yīng)。理想情況下，良好的阻抗匹配可保證對(duì)泄入到地的系統(tǒng)能量的影響最小，但事實(shí)上這是不可能的。系統(tǒng)機(jī)殼地不僅包括其內(nèi)部連接線，而且也包括房屋內(nèi)交流電源線上的安全地等等。整個(gè)地線路徑的阻抗在各個(gè)連接點(diǎn)必須實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這也是實(shí)際工作中不可能完全實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的原因。
　　 然而，盡管這樣，低阻抗地線路徑仍可能允許大量的靜電放電電荷流過，這樣可阻止電荷對(duì)電子設(shè)備的飛弧放電。因?yàn)榧词挂粭l完全的開路線末端，如果輸入線數(shù)是四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍，那么，它看起來就象短路一樣。同樣地，如果輸入線數(shù)是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，短路線末端也如同短路一樣，因此，不管地線路徑上終端匹配的型式如何，對(duì)許多頻率成份而言，其阻抗是相對(duì)較低的。
　　 然而，對(duì)有些頻率成份，地線路徑的阻抗看起來卻相對(duì)較高。如同在第四章提到過的，也意味著系統(tǒng)機(jī)殼地路徑必須與系統(tǒng)電子線路隔離。否則，將在系統(tǒng)的機(jī)殼地與其他線間發(fā)生飛弧放電。隔離顯然就是對(duì)電纜進(jìn)行絕緣處理。不過，在連接點(diǎn)，機(jī)殼地與其他電路線間通常會(huì)有空氣隙（連接器通常沒有氣密的縫隙）。

　　 D) 機(jī)殼接地線及連接器針腳引線與其他導(dǎo)線間的空氣隔離大于2.2mm以防止飛弧放電。
　　 可惜的是，大多數(shù)連接器針腳間的隔離均小于2.2mm。由于2.2mm這個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較保守，因此，這種連接器也還是可以采用的。多數(shù)D型和DIN型連接器很不錯(cuò)，因?yàn)槠渫鈿づc針間的距離大約就是2.2mm，因此，機(jī)殼地線可方便地與外殼相連。另一種方法是機(jī)殼地用一個(gè)與其他連接器完全分離的連接器，這種情況下，2.2mm的隔離距離很容易獲得。
　　 采取以上步驟減少傳導(dǎo)帶來的問題后，就需要考慮輻射引起的問題。首要的輻射問題是來自機(jī)殼本身的輻射，系統(tǒng)機(jī)殼地路徑的阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生駐波，駐波會(huì)使電場(chǎng)和磁場(chǎng)沿系統(tǒng)電纜的分布，因此，必須采取一些方法來減小系統(tǒng)內(nèi)其他信號(hào)線上這些場(chǎng)的效應(yīng)。
　　 第四章列舉了九種減小天線耦合的方法，這九種方法中，僅方法6能有效地隔離電纜線。方法6是在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間安裝一屏蔽體，這即是下面的電纜設(shè)計(jì)規(guī)則。

　　 E) 采用屏蔽電纜且將其屏蔽層與機(jī)殼地相連
　　 由于趨膚效應(yīng)，靜電放電電流聚集在屏蔽體外表面上流動(dòng)（這就是導(dǎo)線在高頻時(shí)表現(xiàn)出較大阻抗的原因之一）。屏蔽體比一般導(dǎo)線具有更大的表面積，這樣將減小“趨膚效應(yīng)阻抗”，也可假定屏蔽體足夠厚，靜電放電電流將沿著屏蔽體的外表面流動(dòng)，其內(nèi)層仍是一個(gè)屏蔽體。因此，在場(chǎng)到達(dá)電纜內(nèi)部的其他連線前，屏蔽體的內(nèi)層可以減小靜電放電電流產(chǎn)生的場(chǎng)。

　　 F) 電纜屏蔽層的厚度應(yīng)至少為0.025mm（在1MHz—5GHz頻率范圍內(nèi)，作為屏蔽材料的銅或鋁的厚度不必很厚）
　　 一旦采取措施對(duì)電纜進(jìn)行了屏蔽，就要充分發(fā)揮它的實(shí)際效果。許多設(shè)計(jì)人員對(duì)所謂的“地環(huán)路”問題太看重。因此，他們堅(jiān)持認(rèn)為電纜層應(yīng)僅在一端接地。不幸的是，這樣做雖然助于減小低頻（比如60Hz）噪聲問題，但顯然會(huì)使屏蔽作為一個(gè)靜電放電路徑而失效。這就需要下一個(gè)電纜處理措施。

　　 G) 電纜屏蔽必須在其兩端高頻連接到機(jī)殼上
　　　　 * 如果不會(huì)形成地環(huán)路，或者地環(huán)路不是問題（參考以下說明），最好的連接方法是在兩端直接用金屬連接。一個(gè)通常不會(huì)形成地環(huán)路的例子是，連接終端與鍵盤的電纜。
　　　　 * 如果會(huì)形成地環(huán)路，并且會(huì)產(chǎn)生問題（參考以下注釋）。這時(shí)，可將電纜屏蔽層在一端金屬連接到機(jī)殼上，而另一端則通過一高頻電容器連接到機(jī)殼上。典型的例子就是計(jì)算機(jī)與打印機(jī)間的互連。當(dāng)然，關(guān)鍵一點(diǎn)是，計(jì)算機(jī)與打印機(jī)都通過交流插座連接到安全地（“綠色線”）。這會(huì)在兩個(gè)交流插座間形成地環(huán)路。
　　 注意：如果在地環(huán)路中，互連到一起的電子設(shè)備的接地點(diǎn)之間沒有電勢(shì)差，那么地環(huán)路未必是問題。總之，電纜屏蔽層端接得越好，地環(huán)路產(chǎn)生問題的可能性也就越小。

　　 H) 電纜屏蔽層應(yīng)在電纜進(jìn)入設(shè)備處連接到機(jī)殼上，其未屏蔽部分則應(yīng)最短。
　　 注意，由于靜電放電電流的影響，電纜屏蔽層的外部會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲。靠近PCB板或在屏蔽體內(nèi)布置的屏蔽電纜，對(duì)PCB板或屏蔽體內(nèi)的每一個(gè)部件而言，都可視為一根發(fā)射天線。電纜屏蔽層僅屏蔽其內(nèi)部的導(dǎo)線，使之免受靜電放電噪聲的干擾。實(shí)際上，屏蔽電纜也對(duì)其外部的所有設(shè)備輻射靜電放電噪聲。　　同樣，將電纜屏蔽層連接到機(jī)殼的一條長(zhǎng)“小辮” 也是一根發(fā)射天線。不要使其圍繞在敏感的輸入端口附近。當(dāng)然，長(zhǎng)小辮帶來的另一個(gè)問題是增加了屏蔽連接的阻抗，從而降低了屏蔽效能。
　　 但是，對(duì)于那些沒有機(jī)殼可供連接的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題該如何解決呢？例如，對(duì)于一個(gè)塑料外殼的鍵盤，沒有導(dǎo)電的底盤，要將其通過一六芯電纜連接到主機(jī)終端，該如何處理呢？

　　 I) 如果電纜一端沒有機(jī)殼，可采取的方案是：將電纜屏蔽層通過一高頻電容器連接到邏輯地。
　　 設(shè)計(jì)出來的單元電路如沒有機(jī)殼連接點(diǎn)，那么它不是一個(gè)完善的設(shè)計(jì)方案（第六章中討論）。然而，如果別無(wú)選擇，邏輯地只得充當(dāng)電纜屏蔽層一端的機(jī)殼接地點(diǎn)。這決不是一個(gè)理想的解決方案，也不可能提高靜電放電的抗擾性能。實(shí)際上，有時(shí)，這反而可能會(huì)引起靜電放電問題。這種方法能夠起作用，關(guān)鍵在于從未屏蔽電纜到各個(gè)輸入端口處的靜電放電輻射是否會(huì)比電纜屏蔽層通過電容至邏輯地產(chǎn)生的靜電放電噪聲耦合更大或更小。總的來說，邏輯接地系統(tǒng)越好，這種辦法改善靜電放電抗擾性的可能性就越大。
　　 屏蔽耦合電容器所需的額定電壓跟其電容與靜電放電源的電容的比值直接相關(guān)。記住，對(duì)一給定的電荷量級(jí)，一個(gè)物體上的電壓大小由其電容量決定。耦合電容由待耦合的頻率決定。典型的電纜在邏輯地與屏蔽層之間已經(jīng)存在幾百皮法的電容。因此，再增加幾百皮法的電容影響不是很大。為了獲得某種顯著的效果，從屏蔽層到邏輯地的耦合電容至少為1000pF。另一方面，大的電容具有極大的寄生電感，因此，它不能耦合高頻。這即是說，典型的耦合電容應(yīng)小于0.01μF。（可采取較小電容器的并聯(lián)連接來獲取較好的耦合效果，假定連接的寄生電感可控制得很小。）
　　 容量3900pF，耐壓1kV的陶瓷電容最適宜作為耦合電容。該電容與電纜已有的電容并聯(lián)，會(huì)耦合相當(dāng)寬廣的靜電放電頻率。而且，人體電容在150pF左右，當(dāng)應(yīng)用3900pF的耦合電容后，體表20kV的電荷將會(huì)減小到小于1kV的水平。
　　 電纜電容的有關(guān)討論隨之又帶出來有關(guān)電纜電感濾波的問題（典型情況是采用鐵氧體磁珠）。從靜電放電的立場(chǎng)上看，在設(shè)計(jì)良好的屏蔽電纜上安裝共模鐵氧體濾波器不總是一個(gè)好的辦法。因?yàn)槿魏纹帘味疾皇抢硐氲模F氧體內(nèi)的電纜屏蔽層上的靜電放電電流將在屏蔽層中的導(dǎo)線上感應(yīng)出反向電流。當(dāng)然，即使沒有鐵氧體，也有類似的問題，不過鐵氧體增加了屏蔽層與內(nèi)導(dǎo)線間的互感，這樣就增加了這種效應(yīng)。如果電纜線上需要安裝鐵氧體磁珠（為了減小發(fā)射強(qiáng)度以滿足美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC等標(biāo)準(zhǔn)），需遵守以下的規(guī)則。

　　 J) 靜電放電電流路徑不要與其它導(dǎo)線一同穿過鐵氧體（如果靜電放電路徑不經(jīng)過任何一個(gè)鐵氧體，則這種情況是最好的）

　　 然而，如果電纜沒有屏蔽，或者如果屏蔽層效果不大，靜電放電噪聲被等量感應(yīng)（以共模方式）進(jìn)電纜內(nèi)的所有導(dǎo)線上，共模鐵氧體可能是有用的。在這種情況下，電纜內(nèi)的所有導(dǎo)線上將會(huì)有顯著的感應(yīng)干擾，當(dāng)然，共模鐵氧體將減小這種共模干擾。在這種情況下，可采用以下的規(guī)則來處理。

　　 K) 如果在電纜信號(hào)線上安裝鐵氧體磁珠，當(dāng)將其置于信號(hào)線的接收端時(shí)，其效果最佳，這樣可濾除信號(hào)線拾取的噪聲。

　　 L) 電纜中多余的導(dǎo)線必須剪去或加以適當(dāng)?shù)倪B接
　　 當(dāng)電纜中的芯線比實(shí)際需要的多得多時(shí)，用下面兩種方法處理這些多余的芯線：
　　　　 * 剪斷多余的芯線，這樣就不會(huì)有懸浮的導(dǎo)線穿過屏蔽體外面；
　　　　 * 將多余的導(dǎo)線與電纜內(nèi)的其它芯線并聯(lián)起來。

　　 M) 扁平電纜應(yīng)每隔一根導(dǎo)線設(shè)置一條邏輯地線，而敏感信號(hào)線則應(yīng)設(shè)置在地線之間
　　 即使屏蔽的扁平電纜也會(huì)有一些磁通量通過。因此，為了使環(huán)路面積最小（參考第四章中有關(guān)環(huán)路面積的討論），每條信號(hào)線都應(yīng)盡量靠近地線。而且，敏感導(dǎo)線必須盡可能地遠(yuǎn)離電纜線邊緣，因?yàn)檫@些地方最易發(fā)生泄漏。

　 電纜設(shè)計(jì)指南小結(jié)
　　 A. 在電化學(xué)序列中，彼此遠(yuǎn)離的兩種物質(zhì)的搭接電壓不要超過0.75V。
　　 B. 陽(yáng)極（多數(shù)是正極）材料必須比陰極材料具有較大的未包裹表面。
　　 C. 采用屏蔽電纜，且將其屏蔽層連接到機(jī)殼地。機(jī)殼與其他元件引腳間的空氣距離至少為2.2mm。
　　 D. 屏蔽材料必須至少0.025mm厚。（最好是完全屏蔽的）
　　 E. 將電纜屏蔽層在兩端與機(jī)殼相連。最好是采取導(dǎo)電連接，但是如果需要阻止明顯的地環(huán)路問題，那么就需要采用高頻（電容）連接。
　　 F. 電纜屏蔽層必須在其進(jìn)出設(shè)備的4cm處連接到機(jī)殼，未屏蔽的電纜部分必須小于4cm。
　　 G. 多余的電纜芯線必須剪掉，或者是與其他導(dǎo)線并聯(lián)連接。
　　 H. 電纜屏蔽層兼作機(jī)殼地的情況下，通常不應(yīng)穿過鐵氧體磁珠，也絕不能與其他導(dǎo)線共用鐵氧體磁珠。
　　 I. 如果采用鐵氧體磁珠，則應(yīng)將其安裝在電纜的接收端。
　　 J. 如果電纜的屏蔽層的一端不能連接到機(jī)殼，可將其通過3900pF、1kV的陶瓷電容連接到邏輯地。