|
[第一部分開(kāi)始討論接地問(wèn)題：何時(shí)考慮接地，機箱材料如何影響接地，以及接地環(huán)路問(wèn)題。第二部分討論電源回路和I/O信號接地。第三部分覆蓋了板間接口信號、星形接地和屏蔽。] 1.1.12 安全地 確保市電地連接的安全需求非常迫切，因為從前面的討論可以明顯看出，這個(gè)需求與抗干擾接地措施經(jīng)常發(fā)生沖突。大多數國家現在都有相關(guān)的電氣標準，這些標準要求使用危險電壓供電的設備在元器件發(fā)生故障時(shí)應該能夠保護用戶(hù)的安全。主要危害被認為是市電的火線(xiàn)電壓被意外連接到用戶(hù)可能直接接觸的設備中的某些部分，如金屬外殼或接地端子。 想象一下這樣的故障，即在火線(xiàn)和外殼之間發(fā)生了短路，如圖1.20所示�；鹁�(xiàn)和外殼正常情況下是隔離的，如果沒(méi)有地連接，設備將繼續正常工作，但用戶(hù)將在不知情的條件下受到致命電擊的威脅。如果連接了安全的地導體，那么起保護作用的市電熔絲將在故障發(fā)生時(shí)熔斷，從而防止危害發(fā)生，還能提醒用戶(hù)故障情況。 圖1.20：需要一個(gè)安全地。 基于這個(gè)理由，對所有設計使用這類(lèi)保護措施的設備而言安全的地導體都是必須的，不能依賴(lài)于高度的絕緣等級。這種導體必須具有足夠大的橫截面以承載任何預期的故障電流，而且所有可接觸到的導電部件都必須在電氣上綁定到導體 。對地連續性的一般性要求是： ● 地路徑應該保持完好無(wú)損，直到保護電路啟動(dòng)工作。 ● 阻抗不應顯著(zhù)或不必要地限制故障電流。 舉例來(lái)說(shuō)，EN 60065要求在10A、1分鐘的條件下保持導體電阻小于0.5Ω。安全性設計在第9.1節有更詳細的討論。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線(xiàn)] 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第三部分：[電路設計師指導手冊(3)：板間互連、星形接地及屏蔽] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線(xiàn)與串擾] 1.2 電線(xiàn)和電纜 本節將簡(jiǎn)要介紹在典型電子設備中經(jīng)常見(jiàn)到的電線(xiàn)和電纜的主要類(lèi)型。由于種類(lèi)太多，因此發(fā)現大多數應用在局部范圍內就能得到滿(mǎn)足多少有點(diǎn)令人驚訝。首先，明確一些定義：電線(xiàn)是一些單獨的電路導體，可以是絕緣的，也可以是非絕緣的。電纜是成組的單個(gè)導體，各導體單獨絕緣，并且從結構上看包含在總的護套中。 1.2.1 電線(xiàn)類(lèi)型 最簡(jiǎn)單的一種電線(xiàn)是鍍錫銅線(xiàn)，根據要求的電流承載能力的不同有很多種規格。元件引腳幾乎總是不變的鍍錫銅材，但電線(xiàn)本身在電子行業(yè)中并沒(méi)有廣泛使用。其主要應用是印刷電路板上的連接，但越來(lái)越多雙面板和多層電鍍通孔板的使用使得它們經(jīng)常顯得多余。 鍍錫銅線(xiàn)還可以用在可重新接線(xiàn)的熔絲連接中。絕緣式銅線(xiàn)主要用于繞線(xiàn)元件中，比如電感和變壓器。其絕緣涂覆層是一種聚氨酯化合物，在加熱時(shí)具有自熔特性，因此非常方便焊接，尤其是很薄的電線(xiàn)。 表1.2對各種規格銅線(xiàn)的尺寸、電流能力和其它屬性進(jìn)行了比較。在英國，鍍錫銅線(xiàn)要符合BS EN 13602標準，搪瓷絕緣型銅線(xiàn)要符合BS EN 60182 (IEC 60182-1)標準。這些電線(xiàn)出售時(shí)都用公制標注，共有兩種絕緣等級，等級1的絕緣層比較薄，等級2的擊穿電壓能力基本上是等級1的兩倍。 電線(xiàn)電感 我們以前曾提過(guò)，任何長(cháng)度的電線(xiàn)都有電感和電阻。截面為圓形的一段直線(xiàn)在高頻時(shí)的電感值近似計算公式是： L = K × l × (2.3 log10 (4l/d) - 1) μH 其中：l 和d分別是長(cháng)度和直徑，而且l >> d，尺寸單位為英寸時(shí)K等于0.0051，為厘米時(shí)K等于0.002。 這個(gè)公式可以用來(lái)算出表1.2中1米長(cháng)度電線(xiàn)的電感(注意，這與每米電感值并不完全一樣)，從表中可以看出，電感只受電線(xiàn)直徑的少許影響。增加橫截面獲得較低的電感值并不容易，不管導體尺寸是多少，當頻率大于幾kHz時(shí)阻抗中的電抗成份就占主導地位。 一個(gè)有用的經(jīng)驗法則是，普通設備電線(xiàn)一英寸長(cháng)度的電感約為20nH，或者說(shuō)一厘米長(cháng)度的電感約為7nH。在性能受物理分割限制的高速數字和射頻電路中以及電流變化率(di/dt)很高的電路中，這個(gè)因素變得非常重要。 設備電線(xiàn) 設備電線(xiàn)主要根據其絕緣性能進(jìn)行分類(lèi)。絕緣性能決定了電線(xiàn)的額定電壓和環(huán)境屬性，特別是其工作溫度范圍以及對化學(xué)物品和溶劑侵襲的抵抗能力。應用范圍最廣的標準類(lèi)型電線(xiàn)是PVC，其絕緣性能符合BS 4808，最大額定溫度為85℃。和25℃時(shí)的額定電流一樣，你可以找到70℃時(shí)的電流值。在特定電流時(shí)允許高出最大額定溫度15℃。PVC還支持針對大型導體開(kāi)關(guān)設備應用的70℃額定溫度以及美國和加拿大UL與CSA標準規定的105℃額定溫度。PTFE用于更寬的溫度范圍，最高可達200℃，但較難使用。 其它更專(zhuān)用的絕緣材料包括用于測試引線(xiàn)的超柔性PVC以及用于高溫(150℃)和惡劣環(huán)境的硅橡膠。許多電線(xiàn)能滿(mǎn)足軍用、電信和安全權威認證要求，在這些客戶(hù)部署的項目中必須對此有明確規定。 表1.3給出了各種常見(jiàn)PVC設備電線(xiàn)的電氣特性。注意，每種電線(xiàn)公布的額定電流與允許的溫升有關(guān)。銅具有每攝氏度0.00393電阻率的正溫度系數，因此電阻隨電流增加而增加。如果實(shí)際環(huán)境溫度較高，或者自身發(fā)熱嚴重，那么使用室溫電阻值可能要比實(shí)際好幾個(gè)百分點(diǎn)。 繞線(xiàn)電線(xiàn) 另外一種專(zhuān)門(mén)類(lèi)型的電線(xiàn)是繞線(xiàn)型電線(xiàn)，主要有兩種尺寸和兩種絕緣類(lèi)型：Kynar，商標是Pennwalt，以及Tefzel，商標是Du Pont。Tefzel價(jià)格更高，但額定溫度也更高，并且更容易剝皮。表1.4列出了4類(lèi)電線(xiàn)的特性。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線(xiàn)] 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第三部分：[電路設計師指導手冊(3)：板間互連、星形接地及屏蔽] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線(xiàn)與串擾] 1.2.2 電纜類(lèi)型 如果忽略比較專(zhuān)業(yè)的類(lèi)型，電纜通�？梢源笾路殖扇箢�(lèi)： ● 電源 ● 數據和多芯 ● 射頻 1.2.3 電源電纜 由于市電電纜通常意味著(zhù)承載危險電壓，因此需要符合嚴格的標準：英國的主要標準是BS 6500。國際標準方面，PVC絕緣電纜是IEC 60227，橡膠絕緣是IEC 60245。這些標準在歐洲的所有歐洲電工標準化委員會(huì )國家中都已得到統一，因此使用帶統一代碼數字的電纜的任何設備在整個(gè)歐洲都是可接受的。 BS 6500標準規定了一系列額定電流，允許根據應用采用各種護套材料。主要材料是橡膠和PVC。橡膠的價(jià)格大約是PVC的兩倍，但柔韌性更好，非常適合便攜式設備，并且能夠達到高溫HOFR(耐熱和油，阻燃)等級。直流和單相交流下的電流承載能力和壓降以及可支撐重量見(jiàn)表1.5。 遺憾的是，美國和加拿大的市電電纜也需要認證，但認證機構是不同的(UL和CSA)。根據歐洲統一標準制造的電纜并不符合UL/CSA標準，反之亦然。因此如果你想把市電供電的設備同時(shí)出口到歐洲和北美地區，你需要提供兩種不同的電纜。最簡(jiǎn)單的方法是在設備上使用CEE-22 6A連接器，然后根據不同市場(chǎng)提供不同的電纜組件。這種方法實(shí)際上已被所有大批量跨國設備供貨商所采用，結果是CEE-22市電插座得到了大量普及。當然，也有幾家供貨商為不同國家提供成品電纜組件。 還有一種被信息技術(shù)和電信設備廣泛使用的方法，即使用“壁瘤”頂插式電源，并為每個(gè)市場(chǎng)提供不同的產(chǎn)品，以便電纜承載低壓直流，這樣就不需要認證的市電電纜了。 1.2.4 數據和多芯電纜 當需要在相同的源與目標之間傳輸多個(gè)信號時(shí)就會(huì )用到多芯電纜。這種電纜永遠不要用于提供市電，因為電纜故障可能引發(fā)危險。大功率線(xiàn)和信號線(xiàn)也不應存在于同一電纜中，因為可能發(fā)生干擾。傳統多芯電纜有許多種導體，如7/0.1mm、7/0.2mm和16/0.2mm，帶或不帶整體編織型屏蔽層。 與通常的額定電流和額定電壓特性一樣，電纜也有這些特性，但它們的值要小于單根電線(xiàn)的額定值，因為導體捆綁在一起，導體間電容是一個(gè)重要的考慮因素，特別是在計算串擾時(shí)(不久還會(huì )提到這個(gè)問(wèn)題)。雖然有時(shí)會(huì )引用150-200pF/m的標稱(chēng)導體至屏蔽層電容，但標準多芯電纜一般不規定電容這個(gè)參數。要想知道更完整的規格參數，你需要使用數據電纜。 數據通信電纜 數據電纜是一種真正特殊的多芯電纜，但隨著(zhù)數據通信的爆炸式發(fā)展，它們現在已經(jīng)有了自己的一個(gè)專(zhuān)門(mén)類(lèi)別。傳送數字化的數據有其特殊的問(wèn)題，特別是： ● 需要一次實(shí)現多個(gè)并行通道的通信，而且通常在短距離內，這就形成了帶狀電纜。 ● 在長(cháng)距離范圍內實(shí)現多個(gè)通道的高速串行數據通信，這就形成了在一個(gè)(屏蔽或非屏蔽的)總護套內存在多個(gè)獨立屏蔽導體對的電纜。 導體間電容和特征阻抗(在討論傳輸線(xiàn)時(shí)會(huì )討論到)對數字化的數據傳輸來(lái)說(shuō)非常重要，也經(jīng)常被這些類(lèi)型的大多數電纜所引用。表1.6對大多數常見(jiàn)的這些電纜特性進(jìn)行了總結。 結構化數據電纜 作為數據通信一個(gè)重要方面的特殊電纜應用是所謂的“結構化”或“通用”布線(xiàn)。這是通用型數據通信電纜，安裝在建筑物或校園的基礎設施中，方便以后實(shí)現各種電信及其它網(wǎng)絡(luò )：語(yǔ)音、數據、文本、圖像和視頻。換句話(huà)說(shuō)，這種電纜的實(shí)際應用在安裝時(shí)是不確定的。為了達到這個(gè)目的，ISO/IEC 11801(美國的TIA/EIA-568覆蓋相同的范圍)標準定義了這種電纜的特性以及連接器特性、性能要求和可接受的布線(xiàn)配置規則。 在真正設計LAN或電信端口接口之前，設備設計師可能對這種電纜的規范不是很感興趣。但這種電纜的重要性越來(lái)越突出。表1.7給出了人們首選的100U四對電纜的TIA/EIA-568參數(ISO/IEC 11801和EN 50173具有相似的規范) 。該標準支持帶寬越來(lái)越高的一系列分類(lèi)。其中的5類(lèi)和5e類(lèi)電纜目前非常流行，得到了非常廣泛的部署。 標準中還定義了其它一些特性，特別是機械尺寸、串擾性能(針對5e類(lèi)和6類(lèi)電纜進(jìn)行了擴展)以及傳播延時(shí)偏差等。 屏蔽和顫噪效應 數據和多芯電纜的屏蔽分成三大類(lèi)： ● 銅編織帶。它能提供很好的通用電氣屏蔽特性，但不能實(shí)現100%的屏蔽覆蓋(典型覆蓋率是80%－90%)，而且它增加了電纜的尺寸和重量。 ● 帶或箔。最常見(jiàn)的是鍍鋁的聚脂薄膜。加蔽線(xiàn)始終保持與金屬接觸，不僅提供終端接觸，而且在螺旋狀繞組時(shí)可減少屏蔽層的電感量。這種方法的屏蔽效果適中，但幾乎不影響電纜的尺寸、重量和柔韌性。 ● 組合式箔和編帶。這種方法可以為要求嚴格的環(huán)境提供優(yōu)異的靜電屏蔽性能，但比較昂貴——約是箔類(lèi)價(jià)格的兩倍。 針對小信號應用，尤其是低噪聲的音頻應用，另外一種電纜屬性也很重要——由摩擦電感應引起的顫噪效應。任何絕緣體在與異類(lèi)材料摩擦時(shí)都會(huì )產(chǎn)生靜電電壓，當電纜在移動(dòng)或振動(dòng)時(shí)這種效應將在導體和屏蔽層之間形成噪聲電壓。 有種特殊的低噪聲電纜可以最大程度地減輕這種噪聲機制，它在編帶和絕緣體之間加入了一層低阻電介材料用于釋放靜電荷。當你在終接這種電纜時(shí)，要確保上述低阻層被剝回編帶，否則在內層和外層之間可能發(fā)生近似短路的風(fēng)險。 即將上線(xiàn)的第六部分：射頻電纜，雙絞線(xiàn)和串擾。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線(xiàn)] 第二部分：[電路設計師指導手冊(2)：電源返回路徑與I/O信號接地] 第三部分：[電路設計師指導手冊(3)：板間互連、星形接地及屏蔽] 第五部分：[電路設計師指導手冊(5)：射頻電纜、雙絞線(xiàn)與串擾] |
