强电环境下扁平电缆串扰优化的前沿研究

摘    要：

断路器继电保护装置中一些端口间的互连需要用到扁平电缆，扁平电缆是数根导线并列在一起传输的一组数据线，其中有模拟信号线、数字信号线和地线。由于传输的信号各不相同，信号频率较高，导线距离较长，因此其产生的串扰不容忽视。研究在电缆结构参数确定的情况下，如何布置各数据线的排列顺序，以使关键信号线不至于受到不可接受的干扰，数字信号线不发生高低电平误判断。

关键词：断路器;电磁兼容;扁平电缆;串扰;

0 引言

智能电器和电子技术的日益发展使得电子产品的工作频率越来越高，而对其体积要求越来越小，电子元器件的分布不可避免地越来越密集，走线也越来越紧凑，从而对电子产品的电磁兼容性能(EMC)提出了更高的要求。而应用于电力系统中的继电保护装置，极易受到来自静电放电、断路器操作及大型变压器等产生的电磁干扰[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。

断路器继电保护装置中一些端口间的互连需要用到扁平电缆。扁平电缆是数根导线并列在一起传输的一组数据线，其中有模拟信号线、数字信号线和地线。由于传输的信号各不相同，信号频率较高，导线距离较长，因此其产生的串扰不容忽视。本文主要研究在电缆结构参数确定的情况下，如何布置各数据线的排列顺序，以使关键信号线不至于受到不可接受的干扰，数字信号线不发生高低电平误判断。

1 建立HFSS仿真模型

模拟扁平电缆由6根数字信号输入、6根数字信号输出、4根模拟信号线和4根地线组成。其结构类似于常见的硬盘数据线，20根线布置成一排，中间用工业塑料作为绝缘介质隔开，线长50 cm, 间距2.5 mm。传输的数字信号最高频率约为30 MHz, 模拟信号数伏。

如图1所示，在HFSS中建立该扁平电缆的模型，导线介质为铜，绝缘介质为聚乙烯(Polyethylene)。在导线的两端建立波端口，添加从0～1 GHz的频率扫描，运算后可画出各传输线的S参数。

图1 扁平电缆模型

如图2所示，最上面一条接近于0的是传输线trace1的插入损耗，下面一条是传输线trace1的返回损耗，另外两条表示trace2受到trace1干扰时的近端和远端串扰的S参数。将S参数仿真结果导出FWS子电路模型到Ansoft Designer/Nexxim中进行串扰仿真。

图2 邻近传输线trace1和trace2的S参数

如图3所示，从HFSS中导入的是一个有40个端口加1个参考地的模型，在Ansoft Designer/Nexxim中给数字信号线加一30 MHz的5 V方波信号源，给模拟信号线加1 V或2 V的直流信号源，地线和其他接收端直接两端通过50 Ω电阻接地。

图3 Ansoft Designer/Nexxim中扁平电缆的仿真电路

2 仿真计算

1)信号30MHz, 4、10、13、18号线接地的情况。

HFSS中的模型从左往右共20根导线的一端对应于Ansoft Designer中的1～20号端口，第一次仿真选择地引脚间错布置，即4、10、13、18号线接地，仿真得到的波形图如图4所示。从图4中可以看出5 V方波信号传输到导线末端时有一过冲，并有约3 ns的时延，模拟信号和地线受到串扰影响有大约250 mV的改变。

2)信号300MHz, 4、10、13、18号线接地的情况。

增大信号频率到300 MHz, 仿真结果如图5所示。由于数字信号接收端有0.5 ns左右的上升时间限制，接收到的数字信号波形有明显的失真，模拟信号线和电线的串扰信号增大到350 mV。

观察以上的仿真结果，发现离数字信号线越近的地线和模拟信号线受到的串扰越大。为验证此假设，模拟一串扰最严重的情况，即将某一条模拟信号线或地线置于数根数字信号线之中，观察其串扰信号大小。

如图6所示，在模拟信号线和地线邻近有多条数字信号线时，模拟信号线和地线都有在30 MHz时最大的250 mV的串扰信号干扰。

图4 信号30 MHz, 4、10、13、18号线接地时的仿真结果

图5 信号300 MHz, 4、10、13、18号线接地时的仿真结果

图6 模拟信号线和地线邻近有多条数字信号线时仿真结果

3)信号30MHz, 17、18、19、20号线接地的情况。

将模拟信号线和地线都尽量远离数字信号线，并将17、18、19、20号线接地时进行仿真。如图7所示，模拟信号线的电压串扰信号依然约为250 mV,而地线的电压只有最接近数字信号线的那条地线有100 mV的串扰信号，其他3条都只有微弱的串扰。

图7 信号30 MHz, 17、18、19、20号线接地时的仿真结果

3 优化设计

由以上的分析可知，最优的设计是将数字信号线和模拟信号线分离，考虑数字信号线从1到12布置、13～16为地线、17～20为模拟信号线的情况，仿真结果如图8所示。4根地线上的电压最大串扰为40 mV,为最接近数字信号线的13号地线。模拟信号线因为与数字信号线之间隔了4根地线，所以几乎无串扰信号。而多根数字信号线在一起相互影响，也有最大为250 mV的串扰信号，但此串扰信号与5 V的方波相比影响并不很大，且数字信号只要不影响其高低电平的判断，在一定范围内的变化是可以接受的。

图8 最优设计时的仿真结果

4 结果分析

1)扁平电缆串扰特性。

①相同布线条件下，信号的频率越高则串扰信号越大。②串扰信号的主要来源是具有较高频率的数字信号。③对于模拟信号线和地线，其串扰信号主要由最近数字信号线引起，两边都有数字信号线时串扰约为250 mV,一边有数字信号线时串扰约为100 mV。

2)优化方法。

布线时可将造成串扰的最大影响因素——数字信号线集中在一起，使关键信号线远离这些集中的数字信号线。这里提出一种布线方式：数字信号线从1到12布置，13～16为地线，17～20为模拟信号线，将可能产生的主要串扰都集中在数字信号线上，模拟信号线几乎没有串扰信号。

5 结语

本文研究的是数根导线并列在一起传输的一组数据线，即实际应用的扁平电缆，其中有模拟信号线、数字信号线和地线，由于模拟和数字信号并存，信号频率高，导线长度较长，因而存在比较明显的串扰问题。

首先，用HFSS建立了扁平电缆的仿真模型，将S参数仿真结果导出FWS子电路模型到Ansoft Designer/Nexxim中进行串扰仿真，得到了各传输线的电压波形，并对其进行了分析。

其次，根据仿真要求改变了各数据线的排列方式，仿真了不同信号频率和不同信号线布置情况下的串扰情况，并逐步分析，明确得出了扁平电缆的串扰特性。

最后，根据对仿真结果的分析，在利用扁平电缆串扰特性的情况下，尽量避免产生较大串扰，通过合理设计，提出了最优方案，使得串扰信号降低到最小的程度，对工程实际应用具有指导意义。

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