电路设计师指导手册(4)：安全地以及电线/电缆
发布时间：2014-12-15 11:39
发布者：designapp
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[第一部分开始讨论接地问题：何时考虑接地，机箱材料如何影响接地，以及接地环路问题。第二部分讨论电源回路和I/O信号接地。第三部分覆盖了板间接口信号、星形接地和屏蔽。] 1.1.12 安全地 确保市电地连接的安全需求非常迫切，因为从前面的讨论可以明显看出，这个需求与抗干扰接地措施经常发生冲突。大多数国家现在都有相关的电气标准，这些标准要求使用危险电压供电的设备在元器件发生故障时应该能够保护用户的安全。主要危害被认为是市电的火线电压被意外连接到用户可能直接接触的设备中的某些部分，如金属外壳或接地端子。 想象一下这样的故障，即在火线和外壳之间发生了短路，如图1.20所示。火线和外壳正常情况下是隔离的，如果没有地连接，设备将继续正常工作，但用户将在不知情的条件下受到致命电击的威胁。如果连接了安全的地导体，那么起保护作用的市电熔丝将在故障发生时熔断，从而防止危害发生，还能提醒用户故障情况。  图1.20：需要一个安全地。 基于这个理由，对所有设计使用这类保护措施的设备而言安全的地导体都是必须的，不能依赖于高度的绝缘等级。这种导体必须具有足够大的横截面以承载任何预期的故障电流，而且所有可接触到的导电部件都必须在电气上绑定到导体 。对地连续性的一般性要求是： ● 地路径应该保持完好无损，直到保护电路启动工作。 ● 阻抗不应显著或不必要地限制故障电流。 举例来说，EN 60065要求在10A、1分钟的条件下保持导体电阻小于0.5Ω。安全性设计在第9.1节有更详细的讨论。 【系列文章】 第一部分：[ 电路设计师指导手册(1)：接地与布线] 第二部分：[电路设计师指导手册(2)：电源返回路径与I/O信号接地] 第三部分：[电路设计师指导手册(3)：板间互连、星形接地及屏蔽] 第五部分：[电路设计师指导手册(5)：射频电缆、双绞线与串扰] 1.2 电线和电缆 本节将简要介绍在典型电子设备中经常见到的电线和电缆的主要类型。由于种类太多，因此发现大多数应用在局部范围内就能得到满足多少有点令人惊讶。首先，明确一些定义：电线是一些单独的电路导体，可以是绝缘的，也可以是非绝缘的。电缆是成组的单个导体，各导体单独绝缘，并且从结构上看包含在总的护套中。 1.2.1 电线类型 最简单的一种电线是镀锡铜线，根据要求的电流承载能力的不同有很多种规格。元件引脚几乎总是不变的镀锡铜材，但电线本身在电子行业中并没有广泛使用。其主要应用是印刷电路板上的连接，但越来越多双面板和多层电镀通孔板的使用使得它们经常显得多余。 镀锡铜线还可以用在可重新接线的熔丝连接中。绝缘式铜线主要用于绕线元件中，比如电感和变压器。其绝缘涂覆层是一种聚氨酯化合物，在加热时具有自熔特性，因此非常方便焊接，尤其是很薄的电线。 表1.2对各种规格铜线的尺寸、电流能力和其它属性进行了比较。在英国，镀锡铜线要符合BS EN 13602标准，搪瓷绝缘型铜线要符合BS EN 60182 (IEC 60182-1)标准。这些电线出售时都用公制标注，共有两种绝缘等级，等级1的绝缘层比较薄，等级2的击穿电压能力基本上是等级1的两倍。  电线电感 我们以前曾提过，任何长度的电线都有电感和电阻。截面为圆形的一段直线在高频时的电感值近似计算公式是： L = K × l × (2.3 log10 (4l/d) - 1) μH 其中：l 和d分别是长度和直径，而且l >> d，尺寸单位为英寸时K等于0.0051，为厘米时K等于0.002。 这个公式可以用来算出表1.2中1米长度电线的电感(注意，这与每米电感值并不完全一样)，从表中可以看出，电感只受电线直径的少许影响。增加横截面获得较低的电感值并不容易，不管导体尺寸是多少，当频率大于几kHz时阻抗中的电抗成份就占主导地位。 一个有用的经验法则是，普通设备电线一英寸长度的电感约为20nH，或者说一厘米长度的电感约为7nH。在性能受物理分割限制的高速数字和射频电路中以及电流变化率(di/dt)很高的电路中，这个因素变得非常重要。 设备电线 设备电线主要根据其绝缘性能进行分类。绝缘性能决定了电线的额定电压和环境属性，特别是其工作温度范围以及对化学物品和溶剂侵袭的抵抗能力。应用范围最广的标准类型电线是PVC，其绝缘性能符合BS 4808，最大额定温度为85℃。和25℃时的额定电流一样，你可以找到70℃时的电流值。在特定电流时允许高出最大额定温度15℃。PVC还支持针对大型导体开关设备应用的70℃额定温度以及美国和加拿大UL与CSA标准规定的105℃额定温度。PTFE用于更宽的温度范围，最高可达200℃，但较难使用。 其它更专用的绝缘材料包括用于测试引线的超柔性PVC以及用于高温(150℃)和恶劣环境的硅橡胶。许多电线能满足军用、电信和安全权威认证要求，在这些客户部署的项目中必须对此有明确规定。 表1.3给出了各种常见PVC设备电线的电气特性。注意，每种电线公布的额定电流与允许的温升有关。铜具有每摄氏度0.00393电阻率的正温度系数，因此电阻随电流增加而增加。如果实际环境温度较高，或者自身发热严重，那么使用室温电阻值可能要比实际好几个百分点。  绕线电线 另外一种专门类型的电线是绕线型电线，主要有两种尺寸和两种绝缘类型：Kynar，商标是Pennwalt，以及Tefzel，商标是Du Pont。Tefzel价格更高，但额定温度也更高，并且更容易剥皮。表1.4列出了4类电线的特性。  【系列文章】 第一部分：[ 电路设计师指导手册(1)：接地与布线] 第二部分：[电路设计师指导手册(2)：电源返回路径与I/O信号接地] 第三部分：[电路设计师指导手册(3)：板间互连、星形接地及屏蔽] 第五部分：[电路设计师指导手册(5)：射频电缆、双绞线与串扰] 1.2.2 电缆类型 如果忽略比较专业的类型，电缆通常可以大致分成三大类： ● 电源 ● 数据和多芯 ● 射频 1.2.3 电源电缆 由于市电电缆通常意味着承载危险电压，因此需要符合严格的标准：英国的主要标准是BS 6500。国际标准方面，PVC绝缘电缆是IEC 60227，橡胶绝缘是IEC 60245。这些标准在欧洲的所有欧洲电工标准化委员会国家中都已得到统一，因此使用带统一代码数字的电缆的任何设备在整个欧洲都是可接受的。 BS 6500标准规定了一系列额定电流，允许根据应用采用各种护套材料。主要材料是橡胶和PVC。橡胶的价格大约是PVC的两倍，但柔韧性更好，非常适合便携式设备，并且能够达到高温HOFR(耐热和油，阻燃)等级。直流和单相交流下的电流承载能力和压降以及可支撑重量见表1.5。  遗憾的是，美国和加拿大的市电电缆也需要认证，但认证机构是不同的(UL和CSA)。根据欧洲统一标准制造的电缆并不符合UL/CSA标准，反之亦然。因此如果你想把市电供电的设备同时出口到欧洲和北美地区，你需要提供两种不同的电缆。最简单的方法是在设备上使用CEE-22 6A连接器，然后根据不同市场提供不同的电缆组件。这种方法实际上已被所有大批量跨国设备供货商所采用，结果是CEE-22市电插座得到了大量普及。当然，也有几家供货商为不同国家提供成品电缆组件。 还有一种被信息技术和电信设备广泛使用的方法，即使用“壁瘤”顶插式电源，并为每个市场提供不同的产品，以便电缆承载低压直流，这样就不需要认证的市电电缆了。 1.2.4 数据和多芯电缆 当需要在相同的源与目标之间传输多个信号时就会用到多芯电缆。这种电缆永远不要用于提供市电，因为电缆故障可能引发危险。大功率线和信号线也不应存在于同一电缆中，因为可能发生干扰。传统多芯电缆有许多种导体，如7/0.1mm、7/0.2mm和16/0.2mm，带或不带整体编织型屏蔽层。 与通常的额定电流和额定电压特性一样，电缆也有这些特性，但它们的值要小于单根电线的额定值，因为导体捆绑在一起，导体间电容是一个重要的考虑因素，特别是在计算串扰时(不久还会提到这个问题)。虽然有时会引用150-200pF/m的标称导体至屏蔽层电容，但标准多芯电缆一般不规定电容这个参数。要想知道更完整的规格参数，你需要使用数据电缆。 数据通信电缆 数据电缆是一种真正特殊的多芯电缆，但随着数据通信的爆炸式发展，它们现在已经有了自己的一个专门类别。传送数字化的数据有其特殊的问题，特别是： ● 需要一次实现多个并行通道的通信，而且通常在短距离内，这就形成了带状电缆。 ● 在长距离范围内实现多个通道的高速串行数据通信，这就形成了在一个(屏蔽或非屏蔽的)总护套内存在多个独立屏蔽导体对的电缆。 导体间电容和特征阻抗(在讨论传输线时会讨论到)对数字化的数据传输来说非常重要，也经常被这些类型的大多数电缆所引用。表1.6对大多数常见的这些电缆特性进行了总结。  结构化数据电缆 作为数据通信一个重要方面的特殊电缆应用是所谓的“结构化”或“通用”布线。这是通用型数据通信电缆，安装在建筑物或校园的基础设施中，方便以后实现各种电信及其它网络：语音、数据、文本、图像和视频。换句话说，这种电缆的实际应用在安装时是不确定的。为了达到这个目的，ISO/IEC 11801(美国的TIA/EIA-568覆盖相同的范围)标准定义了这种电缆的特性以及连接器特性、性能要求和可接受的布线配置规则。 在真正设计LAN或电信端口接口之前，设备设计师可能对这种电缆的规范不是很感兴趣。但这种电缆的重要性越来越突出。表1.7给出了人们首选的100U四对电缆的TIA/EIA-568参数(ISO/IEC 11801和EN 50173具有相似的规范) 。该标准支持带宽越来越高的一系列分类。其中的5类和5e类电缆目前非常流行，得到了非常广泛的部署。  标准中还定义了其它一些特性，特别是机械尺寸、串扰性能(针对5e类和6类电缆进行了扩展)以及传播延时偏差等。 屏蔽和颤噪效应 数据和多芯电缆的屏蔽分成三大类： ● 铜编织带。它能提供很好的通用电气屏蔽特性，但不能实现100%的屏蔽覆盖(典型覆盖率是80%－90%)，而且它增加了电缆的尺寸和重量。 ● 带或箔。最常见的是镀铝的聚脂薄膜。加蔽线始终保持与金属接触，不仅提供终端接触，而且在螺旋状绕组时可减少屏蔽层的电感量。这种方法的屏蔽效果适中，但几乎不影响电缆的尺寸、重量和柔韧性。 ● 组合式箔和编带。这种方法可以为要求严格的环境提供优异的静电屏蔽性能，但比较昂贵——约是箔类价格的两倍。 针对小信号应用，尤其是低噪声的音频应用，另外一种电缆属性也很重要——由摩擦电感应引起的颤噪效应。任何绝缘体在与异类材料摩擦时都会产生静电电压，当电缆在移动或振动时这种效应将在导体和屏蔽层之间形成噪声电压。 有种特殊的低噪声电缆可以最大程度地减轻这种噪声机制，它在编带和绝缘体之间加入了一层低阻电介材料用于释放静电荷。当你在终接这种电缆时，要确保上述低阻层被剥回编带，否则在内层和外层之间可能发生近似短路的风险。 即将上线的第六部分：射频电缆，双绞线和串扰。 【系列文章】 第一部分：[ 电路设计师指导手册(1)：接地与布线] 第二部分：[电路设计师指导手册(2)：电源返回路径与I/O信号接地] 第三部分：[电路设计师指导手册(3)：板间互连、星形接地及屏蔽] 第五部分：[电路设计师指导手册(5)：射频电缆、双绞线与串扰] |
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