信号电路屏蔽电缆：第一部分——最佳实践指南

这组两篇博客探讨屏蔽电缆 (亦称屏蔽线) 在信号电路中的应用。主题在我的 EMC 博客中提及，承诺详细回顾。

后续博客将讨论连接交流 VSD 与电机的屏蔽动力电缆。两者屏蔽目的均为防止屏蔽内电路与外部电路间不必要的电磁耦合。关键区别：电机电缆屏蔽保护外部电路，信号电缆屏蔽保护内部电路免受外部电噪声干扰。

屏蔽电缆在电子系统中司空见惯，往往被视为理所当然。实则并不简单，常被误用和误解。所幸现代电子电路普遍抗噪性良好，系统虽有不良布线实践仍多能工作。但使用变频驱动器时，正确实践变得更重要，因逆变器产生相当高电磁噪声，若相关控制电路布置不当会造成干扰。

第一部分探讨屏蔽信号电缆一般原理，第二部分深入具体实用细节。

常见问题

屏蔽电缆管理有各种规则，因正当理由产生，但可能冲突困惑。以下常见问题我将逐一解答：

1. 必须双端接地屏蔽层吗？
2. 必须不双端接地屏蔽层？
3. 屏蔽层必须接地 (大地) 吗？
4. 必须担心地 (大地) 环路吗？
5. 接地飞线能有多长？
6. 如何跨接线端子连接？
7. 如何连接平衡 (差分) 模拟电路？
8. 以太网如何？非屏蔽电缆能工作吗？

几个关键术语

以下解释中：

地 指市电系统的安全地或大地 (PE)，最终连接至建筑物保护联结网络和物理大地。信号电路连接地且非出于安全原因时，可称为功能地，区别于安全地。

系统中信号回路、公共端或参考连接称为 “参考极”。Control Techniques 设备称为 “0V” 连接。常接地但非必须。某些平衡数据电路可能无参考极。

电气柜中主体金属结构称为 “机箱”。通常为安全接地，但对电噪声考量，更重要的是它构成广泛导电表面，周围电位差异小。

平衡或推挽信号电路中，信号线称为 A+ 和 A-。视设计可能有或无关联 0V 或机箱连接。

“高频” 指无线电通信范围频率，远高于电缆截止频率，如 50 kHz 以上。变频驱动器中，功率半导体极快开关产生此类高频副作用。

什么是电噪声 (干扰)？

此处电噪声指电路间不必要相互作用的效应。所有电活动产生电磁场，可向附近电路感应不需要的电信号。通常射频范围频率效应最糟，因电压电流快速变化增强耦合。信号电路可能对高频干扰敏感：或因自身使用高频 (如串行数字数据链路、编码器数据)；或因非预期敏感性远超预期带宽 (如模拟输入)。良好设计的信号电路会将带宽裁剪至应用需求，避免对快速扰动不必要的敏感。但预期带宽外的高电平扰动仍可通过非线性引起错误。例如手机干扰音响系统即常见现象。

此类噪声重要特征是频率范围极宽。干扰可从 50/60 Hz 工频源延伸至 2-5 GHz 手机等射频区域。达 8 个数量级。针对特定频率威胁的规则在其他频率可能无效甚至适得其反。这也是 EMC 和屏蔽电缆管理规则有时看似冲突的原因——可能针对特定频段威胁制定。

注意另一种电噪声是绝对零度以上所有电路固有的热随机噪声。仅对高灵敏度无线电接收设备有意义，不在讨论范围。

屏蔽电缆工作原理

屏蔽电缆有一个或多个信号芯线被连续屏蔽导体包围。同轴电缆单芯被屏蔽包围，多用于射频应用。屏蔽层最常为细线编织，覆盖率近 100% (编织“窗口”极少)。可辅以导电箔。较少见实心金属屏蔽，可能含铁氧体等磁性材料。

屏蔽目的是防止外部电磁能量向信号电路感应不需要信号。电磁场包含相关磁场和电场。为理解运作，可先分别考虑对电场和磁场的效应。电路要对电磁干扰免疫，必须对电场和磁场均免疫。

电场屏蔽

这是最易理解的机制。图 1 显示外部噪声源电场 E 作用于简单单线 (非平衡) 信号电路的屏蔽电缆，连接信号源到负载。场终止于屏蔽导体，不穿透内导体，故无干扰。

无屏蔽时，变化电场会向信号电路感应电流。导致接收电压瞬态误差即噪声，量取决于电路阻抗——阻抗越高误差电压越大。通常信号源设计为低阻抗以最小化电场入侵误差电压。

图 1：电场屏蔽机制

图 1 中接地连接标为可选，因原则上屏蔽工作不需要接地。关键是信号源和负载的参考极必须连接屏蔽层，使信号电压相对于屏蔽层存在于内导体上。

实践中，视源负载设计，可能无法容忍参考极电位，故常将屏蔽层接地。注意图 1 中仅单点接地，单纯电场屏蔽下接地位置无关。但随时间变化的电场 E，因电荷变化会有电流流向地。一旦有电流流动，必须考虑磁场效应。频率升高时电场关联电流也增大，图 1 布局实则仅能排除低频电场干扰如 50/60 Hz 市电。

磁场屏蔽

屏蔽电缆磁场屏蔽效应稍难理解，但同等重要。凡有电流流动处有关联磁场，变化时可向电路感应电位。图 2 显示外部载流电路磁通 B 链接图 1 同一电路。

图 2：磁场屏蔽机制

磁场变化在导体感应电位，正比于导体链接磁通变化率，图中分别为屏蔽层 E_B1 和内导体 E_B2。

感应电位本代表接收信号瞬态误差即噪声，但图 2 说明关键事实：

内外 (屏蔽) 导体感应电压完全相同。即 E_B1 = E_B2。

原因是链接屏蔽导体的磁通固有链接内导体。

红色标示的 E_B1 和 E_B2 在信号电路中相等反向，故在负载处抵消。

只要无事物破坏两感应电压平衡，抵消极精确，屏蔽电缆对变化磁场提供优异保护。

注意图 2 中源和负载均未连接其他电路，即电隔离。此时屏蔽层无电流流动，无事物可导致 E_B1 和 E_B2 产生误差。

实践中即使电隔离也有杂散电容，高频下有电流流动。但屏蔽层任何电流产生的磁通变化也链接信号导体，抵消机制仍生效。

低频屏蔽层电流

图 2 显示外部磁场感应电压在内外导体相同。另一非等量感应电压源是简单电阻压降。图 3 说明发送端和接收端均连接其本地机箱或地，地电位差 E_D 导致电流 I_D 在屏蔽层流动。差分电压可能由系统各种效应引起，本质是电缆屏蔽层作为接收天线收集各类电磁波噪声电压之和，以及工频等循环杂散电流造成的压降。

驱动系统使用电机轴编码器时有特定地差电压来源。虽用屏蔽电机电缆，但电机本体因绕组和电机电缆快速 PWM 脉冲可能对地有显著噪声电压。若轴编码器金属本体直接固定电机本体，难避免编码器电缆屏蔽层地差电压。

图 3：屏蔽层电流效应

电流 I_D 在屏蔽层产生两分量压降：

• 感性分量 IjwL，L 为电缆屏蔽层电感
• 阻性分量 IR，R 为电缆屏蔽层电阻

感性分量由电流感应磁场引起。该磁场也链接内导体，等量贡献 E_B1 和 E_B2，不干扰接收信号。[1]

阻性分量不出现在 E_B2，故串联在信号中引起误差。

注意：电场引起感应电流，效应与电路阻抗成正比；此处为感应电压。降低信号源阻抗不减少误差。磁感应为主要干扰源时，最佳技术是用电流信号，这也是 4-20 mA 电流源法在长距离信号电缆过程控制系统广泛应用的原因。

高频下电缆电感主导阻抗，IR 相对较小。且因趋肤效应，高频有效电阻较小，电流主要流在屏蔽层外表面而非内表面。结果：低频下屏蔽层效果变差。可测量屏蔽截止频率，低于此频率无效。常用电缆典型范围 1-10 kHz [参考书第 62 页例]。

图 3 也突出“飞线”即屏蔽回路连接用导线的效应。电流 I_D 流经飞线，飞线电感上任何压降串联在信号中。关键点：这是感性压降，不同时出现在两导体，故不被屏蔽电缆抵消。飞线损害电缆高频屏蔽能力。

屏蔽层类型

传统屏蔽层为细铜线编织，覆盖率近 100% (编织“窗口”极少)。某些数据电缆用金属箔或金属化塑料箔，单独或配编织。

为在宽频率范围有效，屏蔽需最大覆盖、低电阻、良好纵向连续性使电流沿外表面流动、最小压降、最小内外表面电流混合。单独箔层电阻较高无效，但配合编织可帮助分离内外导电表面。

参考文献

Henry W Ott: Electromagnetic compatibility engineering: Wiley: ISBN 978-0-470-18930-6

另一推荐书籍

Tim Williams and Keith Armstrong: EMC for Systems & Installations: Newnes: ISBN 9780750641678

[1] 需深思理解。屏蔽层电流引起的所有磁场必须链接内导体。内导体电流引起的磁场不全链接屏蔽层。