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[第一部分開始討論接地問題：何時考慮接地，機箱材料如何影響接地，以及接地環路問題。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，這個需求與抗干擾接地措施經常發生沖突。大多數國家現在都有相關的電氣標準，這些標準要求使用危險電壓供電的設備在元器件發生故障時應該能夠保護用戶的安全。主要危害被認為是市電的火線電壓被意外連接到用戶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，即在火線和外殼之間發生了短路，如圖1.20所示。火線和外殼正常情況下是隔離的，如果沒有地連接，設備將繼續正常工作，但用戶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生時熔斷，從而防止危害發生，還能提醒用戶故障情況。 圖1.20：需要一個安全地。 基于這個理由，對所有設計使用這類保護措施的設備而言安全的地導體都是必須的，不能依賴于高度的絕緣等級。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損，直到保護電路啟動工作。 ● 阻抗不應顯著或不必要地限制故障電流。 舉例來說，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] 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、雙絞線與串擾] 1.2 電線和電纜 本節將簡要介紹在典型電子設備中經常見到的電線和電纜的主要類型。由于種類太多，因此發現大多數應用在局部范圍內就能得到滿足多少有點令人驚訝。首先，明確一些定義：電線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 電線類型 最簡單的一種電線是鍍錫銅線，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，但電線本身在電子行業中并沒有廣泛使用。其主要應用是印刷電路板上的連接，但越來越多雙面板和多層電鍍通孔板的使用使得它們經常顯得多余。 鍍錫銅線還可以用在可重新接線的熔絲連接中。絕緣式銅線主要用于繞線元件中，比如電感和變壓器。其絕緣涂覆層是一種聚氨酯化合物，在加熱時具有自熔特性，因此非常方便焊接，尤其是很薄的電線。 表1.2對各種規格銅線的尺寸、電流能力和其它屬性進行了比較。在英國，鍍錫銅線要符合BS EN 13602標準，搪瓷絕緣型銅線要符合BS EN 60182 (IEC 60182-1)標準。這些電線出售時都用公制標注，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。 電線電感 我們以前曾提過，任何長度的電線都有電感和電阻。截面為圓形的一段直線在高頻時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分別是長度和直徑，而且l >> d，尺寸單位為英寸時K等于0.0051，為厘米時K等于0.002。 這個公式可以用來算出表1.2中1米長度電線的電感(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時阻抗中的電抗成份就占主導地位。 一個有用的經驗法則是，普通設備電線一英寸長度的電感約為20nH，或者說一厘米長度的電感約為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，這個因素變得非常重要。 設備電線 設備電線主要根據其絕緣性能進行分類。絕緣性能決定了電線的額定電壓和環境屬性，特別是其工作溫度范圍以及對化學物品和溶劑侵襲的抵抗能力。應用范圍最廣的標準類型電線是PVC，其絕緣性能符合BS 4808，最大額定溫度為85℃。和25℃時的額定電流一樣，你可以找到70℃時的電流值。在特定電流時允許高出最大額定溫度15℃。PVC還支持針對大型導體開關設備應用的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。 其它更專用的絕緣材料包括用于測試引線的超柔性PVC以及用于高溫(150℃)和惡劣環境的硅橡膠。許多電線能滿足軍用、電信和安全權威認證要求，在這些客戶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PVC設備電線的電氣特性。注意，每種電線公布的額定電流與允許的溫升有關。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。如果實際環境溫度較高，或者自身發熱嚴重，那么使用室溫電阻值可能要比實際好幾個百分點。 繞線電線 另外一種專門類型的電線是繞線型電線，主要有兩種尺寸和兩種絕緣類型：Kynar，商標是Pennwalt，以及Tefzel，商標是Du Pont。Tefzel價格更高，但額定溫度也更高，并且更容易剝皮。表1.4列出了4類電線的特性。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線] 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、雙絞線與串擾] 1.2.2 電纜類型 如果忽略比較專業的類型，電纜通常可以大致分成三大類： ● 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出口到歐洲和北美地區，你需要提供兩種不同的電纜。最簡單的方法是在設備上使用CEE-22 6A連接器，然后根據不同市場提供不同的電纜組件。這種方法實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，并為每個市場提供不同的產品，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信號時就會用到多芯電纜。這種電纜永遠不要用于提供市電，因為電纜故障可能引發危險。大功率線和信號線也不應存在于同一電纜中，因為可能發生干擾。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的額定值，因為導體捆綁在一起，導體間電容是一個重要的考慮因素，特別是在計算串擾時(不久還會提到這個問題)。雖然有時會引用150-200pF/m的標稱導體至屏蔽層電容，但標準多芯電纜一般不規定電容這個參數。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，但隨著數據通信的爆炸式發展，它們現在已經有了自己的一個專門類別。傳送數字化的數據有其特殊的問題，特別是： ● 需要一次實現多個并行通道的通信，而且通常在短距離內，這就形成了帶狀電纜。 ● 在長距離范圍內實現多個通道的高速串行數據通信，這就形成了在一個(屏蔽或非屏蔽的)總護套內存在多個獨立屏蔽導體對的電纜。 導體間電容和特征阻抗(在討論傳輸線時會討論到)對數字化的數據傳輸來說非常重要，也經常被這些類型的大多數電纜所引用。表1.6對大多數常見的這些電纜特性進行了總結。 結構化數據電纜 作為數據通信一個重要方面的特殊電纜應用是所謂的“結構化”或“通用”布線。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，方便以后實現各種電信及其它網絡：語音、數據、文本、圖像和視頻。換句話說，這種電纜的實際應用在安裝時是不確定的。為了達到這個目的，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越高的一系列分類。其中的5類和5e類電纜目前非常流行，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類和6類電纜進行了擴展)以及傳播延時偏差等。 屏蔽和顫噪效應 數據和多芯電纜的屏蔽分成三大類： ● 銅編織帶。它能提供很好的通用電氣屏蔽特性，但不能實現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。最常見的是鍍鋁的聚脂薄膜。加蔽線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境提供優異的靜電屏蔽性能，但比較昂貴——約是箔類價格的兩倍。 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材料摩擦時都會產生靜電電壓，當電纜在移動或振動時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，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生近似短路的風險。 即將上線的第六部分：射頻電纜，雙絞線和串擾。 【系列文章】 第一部分：[ 電路設計師指導手冊(1)：接地與布線] 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、雙絞線與串擾] |
