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电磁干扰及其对结构化布线系统的影响

时间:2009-08-19 17:42来源:综合布线产品网 作者:ITCable 关键词:电磁干扰,布线系统,电磁干扰影响
如今,企业高度依赖于计算机网络,事实上,如果没有高科技电子设备,它们几乎无法有效运转。一旦投资购置,这些电子设备的可靠运行就变得至关重要。系统故障不但会造成业务机会丧失或生产效率降低等严重后果,而且会使用户对系统的信心快速下滑。结果,用户

如今,企业高度依赖于计算机网络,事实上,如果没有高科技电子设备,它们几乎无法有效运转。一旦投资购置,这些电子设备的可靠运行就变得至关重要。系统故障不但会造成业务机会丧失或生产效率降低等严重后果,而且会使用户对系统的信心快速下滑。结果,用户要么设法避开网络,因而无法获得全部商业优势,或者,将该系统更换为更可靠性的产品,并由此导致额外的成本。

  对电磁兼容性(EMC)的关注以及制定相应标准的动力源自个人计算机、局域网等电子设备的快速增长,源自这些设备持续增加的数据速率。更重要的是,便携式电子设备的使用也出现爆发式增长,给通信环境带来难以预料的风险。

  现代电子系统多以计算机或微处理器为基础,通常会对系统中的高频信号产生有害影响,这些影响来源于另一系统接口电缆中的传导电流或者电磁场导致的电磁感应。另外,采用数字电子设备的系统含有电流和电压高速交换电路,会导致较高的高频电磁辐射。

  本文以电磁兼容性(EMC)为主题,旨在增进对电磁兼容性(EMC)及相关标准的了解,并在此基础上探讨电磁兼容性(EMC)对布线系统的影响。

电磁效应

  电磁效应可分为两大类。第一类指电子设备因电磁感应电压和电流而发生故障或损坏,或对此类故障或影响的免疫能力。第二类与不必要的电磁噪声的放射问题相关。

  现今,电子设备的应用已达到前所未有的程度,系统的可靠性及抗故障能力可能对安全、生产效率、可靠性等造成显著影响。

  除设备或系统的电磁辐射敏感性以外,另一重点在于,不得产生显著超过正常信号水平的电磁放射,无论是传导信号还是辐射信号均须如此。目前,许多国家通过严厉的法律手段对其进行控制

什么是电磁干扰?

  电磁干扰(EMI)的含义非常广泛,它是造成电子系统暂时或永久故障的原因,其根源既可能是相关系统所处的自然环境或人为电磁环境,也可能是通过接口电缆从其他设备馈入的意外感应电流和电压。

  流经电子系统和电气系统的高频电流也可能导致电磁干扰。如果系统设计上可承受操作环境中的电磁威胁,且不放射超过规定水平的电磁辐射,则该系统设计符合电磁兼容性标准。

  若要保护每件设备,使其免受任何电磁干扰的威胁,其成本将非常高昂。弄清所需防护水平,评估设备的操作电磁环境,这是设计的第一步。

放射

  时变电荷分布和电流会产生电磁波。所有电气和电子设备及系统都含有支持时变电流和电压的导线,因而或多或少都会产生一定的电磁辐射,具体取决于以下因素:

• 时变电压和电流的大小
• 导线的长度
• 电压和电流的变化速率
• 系统中导线相互之间及其相对于接地基准点的几何布局。

  需要注意的是,由于切换操作中电流和电压快速发生变化,所以,即使是直流(DC)系统和甚低频系统也可能产生显著的电磁辐射。这可能造成一种短暂的干扰源。

敏感性

  为了弄清使现代电子设备敏感性不断增加的原因,我们必须首先考虑小型化技术取得的巨大进步。得益于此类进步,执行同样复杂的任务所需要的功率降低了;这就意味着,用来在设备内部和设备之间发射信号的电压和电流也大幅降低了。不幸的是,结果相对增强了干扰信号的显著性。除了降低功率水平以外,小型化还拉近了设备各区域之间的距离,因而加大了干扰几率。

  造成系统敏感性增加的另一因素是电路带宽的增加,这是更快处理速度需求造成的结果。如前所述,这不但会产生无用的电磁(EM)放射,同时还会使系统对更为广泛的频率作出无用反应。

  电磁场中的磁性元件与电子系统中的环路结合后会产生感应电压,此外,与电场元件对齐的导线或者电场元件中的正常导线,如达到一定长度,将会产生感应电流。对于操作信号水平达几伏特且/或操作电流达几微安培的系统,若不采取预防措施,则极易受到电磁场的干扰。用于避免敏感性问题的诸多措施同时也能降低电磁放射。

电磁干扰问题的解决办法

  如前所述,对电磁干扰问题的全方位解决方案取决于设备以及需要遵循的抗扰度规范的性质。

  设计的各个方面均须纳入考虑范围,从电路板到连接器,从机柜到电源和接口电缆。

  以下即是有助于增强系统整体性能的所有设计因素,有源电子器件和布线系统均是如此:

• 印刷电路板设计
• 机柜设计
• 连接器技术
• 电源和接口电缆

本文讨论的是接口电缆的设计。

电磁兼容性标准

以下为四类电磁兼容性标准:

• 基本标准
• 通用标准
• 产品系列标准
• 产品标准

  通用标准、产品系列标准和产品标准在测试方法方面须参考基本标准。以下是与局域网和相关设备的测试及合规性相关标准:
 

放射标准

• IEC CISPR 22或EN 55022 - 关于信息技术设备射频干扰特性的限制和测量方法
• IEC/EN 61000-6-3 - 通用放射标准第一部分:住宅、商业和轻工业环境
• IEC/EN 61000-6-4 - 通用放射标准第二部分:工业环境

抗扰度标准

• IEC CISPR 24或EN 55024 - 产品标准:信息技术设备抗扰度
• IEC/EN 61000-6-1 - 通用抗扰度标准第一部分:住宅、商业和轻工业环境
• IEC/EN 61000-6-2 - 通用抗扰度标准第二部分:工业环境
• IEC 61000-4 - 基本电磁兼容性标准系列

第二部分:静电放电(ESD)抗扰度测试
第三部分:辐射场抗扰度测试
第四部分:电快速瞬变脉冲群(EFT)/猝发抗扰度测试
第五部分:电涌抗扰度测试
第六部分:导电场抗扰度测试
第八部分:电频磁场抗扰度测试

  最常见的局域网硬件和结构化布线放射及抗扰度标准分别为EN 55022 (IEC CISPR 22)和EN 55024 (IEC CISPR 24)。EN 55022对A类和B类环境中的辐射放射和传导放射要求作了规定。“A类”对应于商业环境;“B类”则为住宅环境。
电磁兼容性和客户楼宇布线

  由于多数电缆安装方安装的是无源系统(如电缆、连接器、配线架和插座),因此,要对已装布线网络进行电磁兼容性测试存在一些问题。计算机和通信设备通常由网络所有人连接到已安装的布线系统上,不是由布线安装方直接控制。电磁兼容性主要由联网计算机和通信设备的制造商负责。网络布线有着明确的规定(如5e类和6类电缆),因此,计算机设备制造商需要处理的连接环境也非常明确。

可按以下方式考虑布线系统的电磁兼容性能:
 
  电子设备/系统制造商考虑到电磁兼容性认证相关布线规范。然后针对连接不同类型电缆(如5e类或6类UTP)的情况,确定其产品说明
 
  由提供“系统集成”服务(并保证系统整体性能)的布线系统供应商负责
所有布线标准委员会将继续对布线系统的电磁性能进行调查。现行标准的新版本和未来版本将纳入性能要求和参数,以获得出色的电磁性能。

四个潜在领域为:
 
  旨在控制射频放射的差分到共模转换限制(相反则为抗扰度控制)
  屏蔽系统的屏蔽效果(电缆加连接器加连接硬件产生的耦合衰减和/或传输阻抗)
  屏蔽系统的完整性
  屏蔽布线的接地规范

除此类标准以外,用户还应确保以下各项:
 
  有源产品与无源产品之间的电磁兼容性
  电缆、连接器和连接硬件之间的兼容性
  布线须符合相关设计和安装标准

克服电磁兼容性的方法

  局域网的一个特有问题就是与多种布线系统的互联问题。就电磁信号而言,电缆只不过是一种能有效发射其中出现的共模信号的天线,因此,局域网设计的主要目标一定是对这种信号进行有效的限制。

  有两种常见方法可为通信链路(不包括同轴电缆和光缆)提供电磁兼容性能保障 — 即屏蔽双绞线(FTP/STP)和非屏蔽双绞线(UTP)。

  原则上,由于屏蔽系统将整个链路封存于金属屏蔽体之中,因而似乎可提供最佳电磁兼容性控制。在这种方案下,外部噪声使电流在屏蔽体中流动,结果在信号导线中产生极性相反的等效电流。这种电流流过导线和屏蔽体的阻抗,产生噪声电压。当在整个环路(包括屏蔽体的接地连接)中汇集时,导线上的噪声电压将抵消屏蔽体上的电压。不幸的是,要发挥屏蔽布线系统的效用,屏蔽体必须在各端正确接地,而这通常会违反安全或其他要求。另外,对于复杂的安装系统,要确保其屏蔽完整性持续不变也存在一定的难度。屏蔽法采用的是“法拉第筒”模式:将一个导电屏蔽体安放在导线及所有相关接口的周围。但是,这种模式在很大程度上取决于导电屏蔽体的完整性以及屏蔽体的接地方式和接地位置。需要记住的是,屏蔽体同时也是导体,如果未能当作屏蔽体正确处理,也会像任何其他导体一样传输信号、发射或接受噪声。考虑屏蔽楼宇布线系统时必须满足以下条件:

• 电缆屏蔽设计正确
• 连接器设计正确
• 连接器处的电缆包皮端接正确
• 安装程序细致周全
• 有干净电源可用
• 有良好的接地系统可用
• 有良好的接地程序
• 使接地阻抗保持低水平

  UTP电缆的有效性取决于电缆本身的平衡性,更重要的是接口电路的平衡性。差分信号置于发射器端的一对线缆上,线对中的两条线缆相互绞绕,在整个链路中都保持高度匹配。使用这种技术时,任何外部噪声都会对线对中的两条线缆产生相同的影响(称为共模噪声)。在接收器端,线对中的差分信号被解释为数据,而大部分共模噪声则可以被抵消,或者被过滤掉并予以忽略。该因素在接口端电路的设计中加以考虑,因为这是有用差分数据信号向无用共模(辐射)信号转换的地方。

  平衡传输的目的在于确保在双绞导线上产生极性相反的等效信号。这些信号会产生极性相反的等效电磁场,而这些磁场则会相互抵消,结果使双绞线上的放射为零。另外,平衡传输使两条导线上的噪声影响相等,结果,不会将净噪声信号传递至接收器接口。一般而言,系统平衡性越出色,其放射量越少,抗噪能力越强。作为一种具有成本优势的电磁兼容性能改善方法,“平衡”法常常被忽视。对于接口处未使用的线对,通常在电子设备中以共模端接技术进行端接。其目的是为线对提供恰到好处的共模接地阻抗,以减少共模信号的环路(天线)区并使未用线对保持平衡。事实表明,这种端接方法可极大地改善系统的电磁兼容性能。同时也是局域网标准委员会为所有高速应用推荐的端接法。

  实际上,使系统达到完美屏蔽或完美平衡状态是不可能的。就如大多数技术问题一样,这里同样存在一个工程上的折衷问题,必须进行审慎评估,以便为一系列既定条件找到最佳答案。平衡UTP系统将取得可接受抗扰度的最大筹码押在接口电子元件和布线元件(电缆、连接器和互联硬件)的设计上,而电子设计师确保使设备取得最佳电磁兼容性能的做法已成为标准惯例。得益于这种时下盛行的设计模式,UTP系统安装和维护起来更加方便、成本更低。另一方面,FTP/STP系统在端点处则依赖于信号通道本身。从发射器到接收器(包括端点电子元件),必须维持链路的屏蔽性能;否则,屏蔽效果将大打折扣。安装方必须对各个链路的系统缺陷进行评估。在安装中,验证屏蔽的完整性极其困难,因此,难以发现或纠正缺陷。另外,屏蔽体的设计和结构也对布线元件和安装的性能及成本有一定的决定作用。

电磁兼容性和美国康普解决方案

  与美国康普布线系统配合使用时,设计得当、制造精良、安装到位的IT设备将符合电磁兼容性要求。尽管在受控实验室环境中进行的放射测试不一定能考虑到现场遇到的所有变量,但康普的布线系统已被成功地安装到许多最恶劣的商业和工业环境之中,展现出良好的外部噪声抗扰性能,并且没有造成任何干扰问题。

  美国康普对其布线系统进行了全面的独立测试。电缆和连接器均经过独立验证,符合现行国际布线标准。虽然多数电磁兼容性标准并不直接适用于布线系统,但康普进行的广泛测试提供了一种基准,使有源电子元件制造商可以专注于其设备的合规条件。

  为了解决电磁兼容性问题,也是为了确保美国康普SYSTIMAX布线系统符合当时及后来的电磁兼容性要求,我们在1990年启动了一项美国康普SYSTIMAX电磁兼容性测试计划。自此以来,我们对ISO 8802-3 10BASE-T、100BASE-T、1000BASE-T、ISO 8802-5 16 Mb/s令牌环、ISO 9314 (ANSI X3.263) 100 Mb/s TP-PMD局域网以及兼容ATM Forum的155 Mb/s局域网进行了测试。测试表明,康普SYSTIMAX用户完全可以免除后顾之忧,因为他们的布线系统符合所有标准的要求。

  美国康普发布了信道性能保证、设计与安装文档以及现场测试指南文档,为其解决方案提供了坚强后盾。这些文档是必不可少的,若要使固定设备符合欧盟现行电磁兼容性指令(2004/108/EC),更是如此。另外,康普在其SYSTIMAX应用担保计划中已包含了电磁兼容性合规要求。

  总而言之,对于希望确保其网络符合电磁兼容性要求的用户,我们特提出以下建议。导致放射的主要因素为与局域网布线系统相连的设备,如收发器、集线器、个人计算机等。这些设备必须经过测试且符合相应的电磁兼容性标准,拥有CE标志(一种欧盟合规标记),安装正确并用于预期目的。有源系统必须符合电磁兼容性规范,无论电缆属于哪种类型(UTP、FTP或STP),只要与布线系统相连的设备设计用于连接此类电缆并经过认证即可。相关布线系统的安装应以制造商指南及/或国际、美国和欧盟布线标准的推荐意见为依据。需要注意的是,布线系统的电磁兼容性能受系统安装方式的影响,FTP/STP布线系统尤其如此。尽管每位用户的要求各具特色,但是,选用能提供端到端性能担保的供应商的系统显得非常重要。这种担保还应有详尽的设计、安装、测试和产品文档的支持。

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