電纜設計手冊

本章中將討論如何處理系統電纜來解決靜電放電問題。

靜電放電（ESD）會產生靜電場效應，電荷注入效應和靜電放電電流產生的場效應，這在第四章已論述過。正確地布置系統電纜和進行屏蔽設計可有助于解決這三種效應帶來的問題。　　

在討論系統電纜的處理時，為方便起見，將第四章中所提出的三種靜電放電效應重新整理成以下兩條效應：
　　　　 * 輻射噪聲效應
　　　　 * 傳導噪聲效應
　　 輻射噪聲包括泄放電流產生的靜磁場，電場和磁場。傳導噪聲包括直接的電荷注入以及電場和磁場感應的電流。當然，在實際情況下，這些效應并不是彼此獨立存在的。但為了簡化討論，我們分別考慮每一種效應。

　　 首先討論電纜的屏蔽或衰減及傳導問題，20kV的電壓在空氣中的放電距離可達2cm。所以，為了防止電荷注入到電子線路中，設計人員可以采取以下三種措施：
　　 A) 設計設備時，采取措施使操作員不能到達距離電子線路2cm之內內，或接觸與電子線路相距2cm以內的未接地金屬物件；
　　 B) 將所有電子電路用比空氣更好的絕緣物質進行絕緣處理；
　　 C) 提供一個除了電子線路以外的另一個電荷注入對象。
　　 上述措施1與2將在第六章中著重討論，因為這與屏蔽機箱的設計聯系很緊密。而措施3主要取決于系統電纜的設計。如第二章所述，靜電放電對象必須有一條到地的路徑以消除靜電場。
　　 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電纜的阻抗較低。對于多數系統，電纜線阻抗相當低，不過高頻時由于趨膚效應，阻抗會有所增加。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一步討論）。

　　 引起電纜阻抗增加的另一個原因是連接點處的接觸阻抗。連接點處的的銹蝕可以產生與趨膚效應差不多的阻抗作用，為了防止銹蝕并使電纜的阻抗較低應考慮以下幾個準則：
　　 A) 彼此接觸的物體應在電化學序列上相容
　　 在潮濕的環境中，電勢不同的金屬物體間會發生電化學腐蝕，其程度取決于接觸物件的電勢差的大小。電勢差越大，腐蝕就越嚴重。表1給出了部分電化學序列表，應當注意的是，每一項中所列的電動勢有時可能會發生變化。例如，鈹銅有時可與鋁配合使用。
　　 根據環境的不同，可允許電動勢有較大的波動，在惡劣的海洋環境中，允許的電勢差不應超過0.25V。一般情況下，除了與鋁搭接外，電勢差保持在0.75V以下是沒以問題的。例如，鍍鋅鋼板機殼很容易用黃銅接線片與銅接地導線相連。

　　　　 表1 電化學序列表

金 屬
?電動勢（伏特）
?金 屬
?電動勢（伏特）
?金 屬
?電動勢（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) 接觸處不應有連續電流流動
　　 除了上述討論的電化學腐蝕外，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金屬物體流到另一個金屬物體時發生。（潮濕環境中的搭接可以實現電解腐蝕）即使在電勢差不存在的金屬物體間也會發生電解腐蝕。不過，如果沒有電流流動，電解腐蝕就不會發生。很明顯，機殼地或屏蔽連接不應有恒定電流流過，因此，這條規則很容易遵守。

　　 C) 盡可能采用陰極材料
　　 陰極材料，比如金，比陽極材料穩定得多，空氣能很容易地使陽極材料發生氧化，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，但設計者在使用材料時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，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。理想情況下，良好的阻抗匹配可保證對泄入到地的系統能量的影響最小，但事實上這是不可能的。系統機殼地不僅包括其內部連接線，而且也包括房屋內交流電源線上的安全地等等。整個地線路徑的阻抗在各個連接點必須實現阻抗匹配，這也是實際工作中不可能完全實現阻抗匹配的原因。
　　 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，這樣可阻止電荷對電子設備的飛弧放電。因為即使一條完全的開路線末端，如果輸入線數是四分之一波長的奇數倍，那么，它看起來就象短路一樣。同樣地，如果輸入線數是半波長的整數倍時，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，對許多頻率成份而言，其阻抗是相對較低的。
　　 然而，對有些頻率成份，地線路徑的阻抗看起來卻相對較高。如同在第四章提到過的，也意味著系統機殼地路徑必須與系統電子線路隔離。否則，將在系統的機殼地與其他線間發生飛弧放電。隔離顯然就是對電纜進行絕緣處理。不過，在連接點，機殼地與其他電路線間通常會有空氣隙（連接器通常沒有氣密的縫隙）。

　　 D) 機殼接地線及連接器針腳引線與其他導線間的空氣隔離大于2.2mm以防止飛弧放電。
　　 可惜的是，大多數連接器針腳間的隔離均小于2.2mm。由于2.2mm這個經驗數據比較保守，因此，這種連接器也還是可以采用的。多數D型和DIN型連接器很不錯，因為其外殼與針間的距離大約就是2.2mm，因此，機殼地線可方便地與外殼相連。另一種方法是機殼地用一個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殼本身的輻射，系統機殼地路徑的阻抗不匹配會產生駐波，駐波會使電場和磁場沿系統電纜的分布，因此，必須采取一些方法來減小系統內其他信號線上這些場的效應。
　　 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是在發射機與接收機間安裝一屏蔽體，這即是下面的電纜設計規則。

　　 E) 采用屏蔽電纜且將其屏蔽層與機殼地相連
　　 由于趨膚效應，靜電放電電流聚集在屏蔽體外表面上流動（這就是導線在高頻時表現出較大阻抗的原因之一）。屏蔽體比一般導線具有更大的表面積，這樣將減小“趨膚效應阻抗”，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，其內層仍是一個屏蔽體。因此，在場到達電纜內部的其他連線前，屏蔽體的內層可以減小靜電放電電流產生的場。

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

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

　　 H) 電纜屏蔽層應在電纜進入設備處連接到機殼上，其未屏蔽部分則應最短。
　　 注意，由于靜電放電電流的影響，電纜屏蔽層的外部會產生輻射噪聲。靠近PCB板或在屏蔽體內布置的屏蔽電纜，對PCB板或屏蔽體內的每一個部件而言，都可視為一根發射天線。電纜屏蔽層僅屏蔽其內部的導線，使之免受靜電放電噪聲的干擾。實際上，屏蔽電纜也對其外部的所有設備輻射靜電放電噪聲。　　同樣，將電纜屏蔽層連接到機殼的一條長“小辮” 也是一根發射天線。不要使其圍繞在敏感的輸入端口附近。當然，長小辮帶來的另一個問題是增加了屏蔽連接的阻抗，從而降低了屏蔽效能。
　　 但是，對于那些沒有機殼可供連接的系統設計問題該如何解決呢？例如，對于一個塑料外殼的鍵盤，沒有導電的底盤，要將其通過一六芯電纜連接到主機終端，該如何處理呢？

　　 I) 如果電纜一端沒有機殼，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。
　　 設計出來的單元電路如沒有機殼連接點，那么它不是一個完善的設計方案（第六章中討論）。然而，如果別無選擇，邏輯地只得充當電纜屏蔽層一端的機殼接地點。這決不是一個理想的解決方案，也不可能提高靜電放電的抗擾性能。實際上，有時，這反而可能會引起靜電放電問題。這種方法能夠起作用，關鍵在于從未屏蔽電纜到各個輸入端口處的靜電放電輻射是否會比電纜屏蔽層通過電容至邏輯地產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。記住，對一給定的電荷量級，一個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，典型的耦合電容應小于0.01μF。（可采取較小電容器的并聯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，會耦合相當寬廣的靜電放電頻率。而且，人體電容在150pF左右，當應用3900pF的耦合電容后，體表20kV的電荷將會減小到小于1kV的水平。
　　 電纜電容的有關討論隨之又帶出來有關電纜電感濾波的問題（典型情況是采用鐵氧體磁珠）。從靜電放電的立場上看，在設計良好的屏蔽電纜上安裝共模鐵氧體濾波器不總是一個好的辦法。因為任何屏蔽都不是理想的，鐵氧體內的電纜屏蔽層上的靜電放電電流將在屏蔽層中的導線上感應出反向電流。當然，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導線間的互感，這樣就增加了這種效應。如果電纜線上需要安裝鐵氧體磁珠（為了減小發射強度以滿足美國聯邦通信委員會FCC等標準），需遵守以下的規則。

　　 J) 靜電放電電流路徑不要與其它導線一同穿過鐵氧體（如果靜電放電路徑不經過任何一個鐵氧體，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（以共模方式）進電纜內的所有導線上，共模鐵氧體可能是有用的。在這種情況下，電纜內的所有導線上將會有顯著的感應干擾，當然，共模鐵氧體將減小這種共模干擾。在這種情況下，可采用以下的規則來處理。

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

　　 L) 電纜中多余的導線必須剪去或加以適當的連接
　　 當電纜中的芯線比實際需要的多得多時，用下面兩種方法處理這些多余的芯線：
　　　　 * 剪斷多余的芯線，這樣就不會有懸浮的導線穿過屏蔽體外面；
　　　　 * 將多余的導線與電纜內的其它芯線并聯起來。

　　 M) 扁平電纜應每隔一根導線設置一條邏輯地線，而敏感信號線則應設置在地線之間
　　 即使屏蔽的扁平電纜也會有一些磁通量通過。因此，為了使環路面積最小（參考第四章中有關環路面積的討論），每條信號線都應盡量靠近地線。而且，敏感導線必須盡可能地遠離電纜線邊緣，因為這些地方最易發生泄漏。

　 電纜設計指南小結
　　 A. 在電化學序列中，彼此遠離的兩種物質的搭接電壓不要超過0.75V。
　　 B. 陽極（多數是正極）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殼地。機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殼相連。最好是采取導電連接，但是如果需要阻止明顯的地環路問題，那么就需要采用高頻（電容）連接。
　　 F. 電纜屏蔽層必須在其進出設備的4cm處連接到機殼，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，或者是與其他導線并聯連接。
　　 H. 電纜屏蔽層兼作機殼地的情況下，通常不應穿過鐵氧體磁珠，也絕不能與其他導線共用鐵氧體磁珠。
　　 I. 如果采用鐵氧體磁珠，則應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殼，可將其通過3900pF、1kV的陶瓷電容連接到邏輯地。