同轴线互连传感器CS抗扰度布置分析

0. 引言

某工业用便携式流速检测仪在进行CS（传导抗扰度）实验时，电流表检测读数超允许误差范围，电流表检测精度为uA级，为整改带来了难度，以下为实际案例经验分享，希望对大家有帮助和启发。

1. 组网与测试配置

流速检测仪为两通道输入输出，传感器输入采用同轴线，输出线缆为屏蔽线缆，供电DC15V ，传感器同轴线长度约为6m，输出屏蔽线长度约为3m，详见图1组网测试配置图。

图1 组网测试配置图

2. CS测试问题描述

• 测试等级：3V，150KHz-80MHZ；

• 测试线缆：传感器同轴线缆；
• 测试问题：10MHZ-20MHz左右频点实验时，电流表读数出现飘偏，允许误差±30uA，测试时偏差达到了上飘到50uA。

3. CS测试布置

3.1 测试波形

测试等级为3V，是指Urms为3V，实际测试波形为1KHz正玄波，80%调制后的Upp达到了15.27V。调制前后波形参见图2.

3.2 测试原理与布局

根据IEC 61000-4-6标准要求，测试应该尽量保证被测对象处于300Ω阻抗环路中，以保证测试合规性与一致性。测试原理参见图3。

标准推荐布局应该参照图4进行。与流速测试仪的实际组网图1对比可知，实验测试只有一个CDN，缺少对被测线缆路径的300Ω控制。

流速测试仪的测试布局严格来讲是不满足标准要求，在此不进行过多的讲述，后续实验在当前的测试布局下进行分析。图5中为标准对测试阻抗要求说明。

4. 问题分析

CS测试实际上是电场和磁场的耦合，但电磁场的分析过于复杂，将场转化成路的分析比较简单和高效。

4.1 噪声路径分析

CS信号发生器将干扰信号注入到EM clamp中，EM clamp通过电场和磁场耦合到被测线缆中。同轴线缆耦合的干扰，通过同轴线及分布电容回流。噪声回路参见图6所示。

4.2 敏感设备

经过排查分析，确认敏感设备为传感器，CS注入的干扰，使得传感器信号受到了干扰而产生了波动，特别是经过了经过长距离传输后，PCB1板中接受的信号质量很差，导致超过允差范围。

工程师整改方法：

• 在传感器侧加滤波电容，使得传感器信号质量得到保证，但无法落地；
• 在PCB1侧加滤波电容，没有效果，主要受干扰的信号经过长线传输后，传输线效应削弱了滤波效果；
• 在PCB1侧加共模电感，无效果；
• 在PCB1侧加磁环，有效果；

以上四中方法中1）和2），原因分析比较常见，后续针对3）和4）进行机理分析。

4.3 同轴线抗扰性能

同轴线或屏蔽线的EMS性能可以通过屏蔽效率来表征，包括屏蔽效能和转移阻抗两方面评估，GB/T117738.1标准中评价同轴线的屏蔽效率的测试方法参见图7所示。同轴线的CS测试从这个角度来看也是考量同轴线线缆的屏蔽效率特性。

4.3.1 屏蔽效能

（1）传输线等效电路分析

CS的干扰注入同轴线屏蔽层的等效电路图参见图8所示，其中Z1为流量检测仪内阻、Z2位传感器内阻、Vnoise为CS信号发生器通过EM clamp耦合到屏蔽层的干扰电压、VCSG为CS发生器的注入噪声电压、Z3和Z4为clamp EM阻抗、 Z5为EM clamp与同轴线屏蔽层的耦合阻抗、Z6和Z7为同轴线屏蔽层阻抗、ZCSG为CS发生器内阻、ZCS为耦合夹侧负载阻抗、Zc1为流量检测仪对地分布电容阻抗、Zc2为传感器侧对地分布电容阻抗。为进行量化分析，本文在20MHz下将同轴线的参数评估约为：Z1为 95Ω，Z2为95Ω，Z5为95Ω，Z3、Z4、Z6和Z7为0.1Ω，Zc1和Zc2为1nF。

由图8（b）可计算出屏蔽层耦合的噪声Vnoise：

Z5可表征EM clamp与同轴线屏蔽层的耦合效率阻抗，Z6和Z7可表征同轴线屏蔽层的屏蔽效能。当理想情况下Z6和Z7的阻抗为0，则Vnoise=0。Z5为0时，EM clamp的耦合效率最高。Z5为∞时，EM clamp的耦合效率最低。

实际的同轴线在使用过程中，需要选用屏蔽效能好的电缆，同时注意现场噪声源和线缆间的耦合阻抗，阻抗越大越好，即等效距离越大越好。

（2）EM clamp耦合效率分析

EM clamp在干扰耦合时，其耦合效率随着频率变化而变化，标准中EM clamp的耦合效率测试布局参见图9，测试结果参见图10。

EM clamp的测试电路是在300欧姆回路阻抗的前提下，进行2端口s参数测量，S21即表示耦合因数。由图10可知10MHz的耦合因数为-3db（150Ω两端电压约为0.69Vcsg），20MHz的数耦合因数为-1.5db（150Ω两端电压约为0.84Vcsg）。

当测试3V等级Upp达到了15.27V时，Vnoise≈15.27mV，可见传感器的敏感度很高，很小的电压就会被干扰，设计需要重点考虑。

4.3.2 转移阻抗

转移阻抗是指在屏蔽层上流过的电流I，在屏蔽层与芯线间产生的电压V，即Zt=V/I。屏蔽层上流过的电流I，在屏蔽层阻抗上产生干扰电压Vnoise，PCB1端的干扰为Vnoise在Z1上产生的电压，来评估Z1两端的干扰强弱。

Z1为流量检测仪内阻、Z2位传感器内阻、Z3-Z7位同轴线的传输阻抗、Zpe为同轴线两端对地的分布阻抗：

Z5表征转移阻抗，Z5为0时，Vz1的转移效率最高。Z5为∞时，Vz1的转移效率最低。同轴线线缆选型时注意转移阻抗参数。

4.4 抑制措施分析

同规格不同厂家的同轴线的屏蔽效能是不同的，但因同轴线线不可更换，下面重点对转移阻抗结合滤波措施进行分析。

4.4.1 共模电感滤波

如图12所示，共模电感加在PCB1侧，其100MHz阻抗为共模200Ω左右，差模阻抗仅仅10Ω（2*Zdm）。

经分析对共模电感的加入对Z1两端的电压分压影响较小，这也是加入共模电感后，没有效果的原因。

4.4.2磁环滤波

屏蔽线缆加磁环参见图13所示，因屏蔽层的屏蔽作用，同轴线内部芯线内电流产生的磁场被屏蔽层中产生的涡流抵消，使得同轴线芯线产生的磁场无法链过磁环，内部芯线不会产生阻抗。

整改加入的磁环在20MHz约有300Ω（1匝），可计算出Vz1=0.21Vnoise；两匝阻抗约1200Ω，可计算出Vz1=0.07Vnoise，噪声被很好的衰减了。

5. 设计落地

设计落地方案三种：

• 同轴线外加磁环方案
• BNC和磁环一体结构件方案
• 同轴线和磁环一体线缆方案

方案（1）最简单方便，但涉及磁环如何固定，需要结合震动实验进行权衡设计；方案（2）的一体结构件设计，可作为选配件应用到同类产品中，适应场景灵活性高，但成本较高；方案（3）做成了标配线缆，但实际客户应用时的线缆长度不定，从方案落实困难，需要限定客户应用线缆长度。最终采取方案（1）进行落地。

6. 思考与启示

• 传感器类器件较敏感，一般容易受到干扰，设计时需要考虑实际的应用场景和测试要求，在设计端预留滤波措施；
• 同轴线为噪声的耦合传输路径，屏蔽效能和转移阻抗很好的评定同轴线的性能，设计时尽量选择转移阻抗小屏蔽效能高的线缆；
• 同轴线加磁环后，内部芯线因同轴线屏蔽层屏蔽效应，使得内部芯线电流产生的磁场无法链过磁环，因此加磁环前后内部芯线阻抗无变化。
• 同轴线应用场合下，注意差共模的转化机理，本文中的共模电流主要从屏蔽层中流过，通过转移阻抗转化为差模影响敏感设备；
• 共模电感在同轴线抗扰抑制方法中不是最优选择，需要结噪声和路径机理分析，选择合适的滤波器件。