中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 詹金晶

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淺析艦船電磁兼容中的接地設(shè)計(jì)方法

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 詹金晶

【摘要】接地是提高系統(tǒng)電磁兼容性能的重要方法。介紹了系統(tǒng)中電路接地、屏蔽層接地、濾波器接地及機(jī)殼地的設(shè)計(jì)方法，通過兩個(gè)案例的分析及整改，進(jìn)一步說明了接地方式及方法的重要性。

【關(guān)鍵詞】電磁兼容；接地；干擾

1　引言

隨著艦船自動化程度的提高，船用電子設(shè)備的種類、數(shù)量不斷增加，運(yùn)行速度不斷提高，導(dǎo)致艦船電磁輻射及干擾問題越來越嚴(yán)重。一方面，電子設(shè)備自身產(chǎn)生電磁場輻射，并通過電纜耦合到外部，且設(shè)備艙空間狹小，使設(shè)備工作的電磁場環(huán)境更加惡劣。另一方面，電子設(shè)備在這樣復(fù)雜的電磁環(huán)境里必須能不受干擾，否則，會對艦船的安全航行和正常工作帶來影響。因此，電磁兼容性能已經(jīng)成為艦船電子設(shè)備必須滿足的質(zhì)量要求。

在電子設(shè)備中，電磁干擾是肯定存在的，要提高設(shè)備的電磁兼容性能，就需要對整個(gè)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使干擾被吸收或流過路徑最短。

系統(tǒng)中的“地”為電子設(shè)備提供統(tǒng)一的電位參考點(diǎn)，以保證信號的正確傳輸。理想的“地”是零電阻的導(dǎo)體，電流流過地線以形成回路，而不會產(chǎn)生壓降。在實(shí)際應(yīng)用中，地線不可能沒有阻抗，作為電流路徑，也是外部干擾進(jìn)入設(shè)備和內(nèi)部干擾傳導(dǎo)出設(shè)備的路徑。選擇正確的接地方法，最小化接地阻抗，減小接地回路的壓降，是提高電磁兼容性能的有效方法。

2　接地設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包含各種類型的電路和電器件，地線相應(yīng)地分為數(shù)字地、模擬地、交流地、直流地、機(jī)殼地等。針對不同的電路特性，對系統(tǒng)進(jìn)行地線劃分，理清地電流的實(shí)際路徑，設(shè)計(jì)合理的接地點(diǎn)和接地方式，避免引起相互干擾。

2.1電路接地設(shè)計(jì)

一般情況下，高頻電路（＞10MHz）應(yīng)就近多點(diǎn)接地，使接地線的長度最短。因?yàn)樵诟哳l時(shí)，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，會產(chǎn)生較大的共模電壓，同時(shí)各地線之間又產(chǎn)生電感耦合。為了降低地線阻抗，應(yīng)采用多點(diǎn)接地。

低頻電路（＜1MHz）應(yīng)單點(diǎn)接地。低頻電路中主要的干擾來自公共阻抗耦合和接地環(huán)路，布線和元件間的電感不是大問題，將每一個(gè)電路都直接接到同一個(gè)單點(diǎn)地，消除地回路。

對寬帶電路，可使用混合接地方式。低頻電路單點(diǎn)接地，高頻電路通過電容多點(diǎn)連接到地，電容可阻塞直流和低頻，以防止高頻與低頻電路之間的串?dāng)_。

電路應(yīng)區(qū)分?jǐn)?shù)字地、模擬地、電源地等不同的地線，劃分不同的地平面，各個(gè)地平面在適當(dāng)?shù)奈恢猛ㄟ^一點(diǎn)短接起來。該點(diǎn)短接可通過磁珠或0歐姆電阻，以限制環(huán)路電流，抑制干擾。磁珠有固定的頻率特性，在某些頻段阻抗高，在使用時(shí)要考慮與電路頻率特性的匹配問題。0歐姆電阻作用于全頻段，使用范圍比磁珠廣。

電路中地線的布置應(yīng)盡量減小信號環(huán)路面積，以降低差模輻射，提高抗干擾能力。

2.2屏蔽層接地設(shè)計(jì)

電纜屏蔽層采用金屬材料，其接地方式不同將直接影響對電磁場的屏蔽效果。低頻信號（如模擬信號）傳輸時(shí)采取屏蔽層單端接地，測量值的連續(xù)上下波動和永久偏差表示有低頻干擾。源端接地時(shí)，屏蔽層應(yīng)于源端實(shí)行單點(diǎn)接地，源端未接地，則在信號接收端實(shí)行單點(diǎn)接地，這樣可以保證他們之間的電壓差最小，從而使屏蔽層到中心導(dǎo)線的容性耦合最小。

隨著信號頻率的增大，磁干擾變得嚴(yán)重，易采用雙端接地來屏蔽磁場。感應(yīng)電流可以在屏蔽層上流動，以抵消在中心導(dǎo)體上感應(yīng)的電流。

屏蔽層一般連接到連接器外殼，進(jìn)而通過金屬機(jī)箱連接到大地，不進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部。屏蔽層與連接器金屬外殼之間采用360°全覆蓋連接，而不應(yīng)將屏蔽層擰成一股線固定到連接器，這種“豬尾巴”連接安裝方便，但在連接處會產(chǎn)生電磁泄漏和阻抗不匹配。

2.3濾波器接地設(shè)計(jì)

電源濾波器濾除電源線傳入的干擾。電源濾波器必須接地，且在靠近輸入端安裝，濾波器外殼直接安裝在金屬底板上。在濾波器安裝的位置，金屬底板不要涂覆絕緣漆，若底板表面不平整，濾波器外殼與底板不能完全接觸，則在兩者之間墊金屬箔片。

2.4機(jī)殼地設(shè)計(jì)

一般設(shè)備的金屬外殼被當(dāng)作機(jī)殼地，并通過一點(diǎn)接大地。機(jī)殼地到大地的連接采用短而寬的導(dǎo)體以提供低阻抗的電流路徑。機(jī)殼地將設(shè)備長期通電聚集的靜電電荷釋放到大地，避免造成靜電干擾。當(dāng)外界干擾作用到系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，金屬外殼將干擾引導(dǎo)到大地，保證設(shè)備內(nèi)部電路不受外界干擾的影響。

機(jī)殼地與電路地不能直接連接，否則外部干擾可能通過機(jī)殼地被引入電路，引起信號的波動，對低電平信號，微小的波動都可能引起信號的錯(cuò)誤傳輸。機(jī)殼地與電路地可采用低容值的電容連接。

機(jī)殼地與交流電源的地連接，而交流電源地一般與電源外殼接通，因此可使電源外殼與大地、人體等電位，提高操作安全性。

3　案例分析

3.1濾波器接地

對某機(jī)箱的DC24V和AC220V電源線進(jìn)行電磁兼容CE102項(xiàng)測試。DC24V電源線從300kHz開始至10MHz都有嚴(yán)重超標(biāo)，多個(gè)頻點(diǎn)超標(biāo)達(dá)20dB以上； AC220V電源線在2MHz以后上升，離標(biāo)準(zhǔn)線很近。

經(jīng)分析測試，DC24V電源線干擾來源于機(jī)箱內(nèi)部的DC-DC開關(guān)電源。DC-DC開關(guān)電源以脈寬調(diào)制方式工作，調(diào)制過程中由于較陡的斬波脈沖產(chǎn)生了干擾波頻譜，形成尖峰脈沖，其產(chǎn)生的電磁輻射耦合到機(jī)箱內(nèi)電源線上，電源線通過連接器連接到機(jī)箱外部形成傳導(dǎo)發(fā)射干擾。在機(jī)箱內(nèi)電源線與連接器間接入濾波器，對干擾信號進(jìn)行抑制。但濾波器外殼未接地，因此仍然在2-3個(gè)頻點(diǎn)上超標(biāo)。將濾波器外殼直接安裝在機(jī)箱外殼，測試，未超標(biāo)。

機(jī)箱內(nèi)AC220V電源線的走線順序是連接器-開關(guān)-保險(xiǎn)絲-濾波器，電源線在機(jī)箱內(nèi)繞了一大圈后才進(jìn)入濾波器，且對線纜未采取屏蔽措施，電路板上產(chǎn)生的干擾直接耦合到電源輸入線上，傳導(dǎo)到機(jī)箱外部，造成電磁發(fā)射超標(biāo)。改變電源線的走線順序?yàn)檫B接器-濾波器-開關(guān)-保險(xiǎn)絲，同時(shí)電源輸入線改為屏蔽纜（一端連接到機(jī)殼），將機(jī)箱底部安裝濾波器位置的絕緣油漆刮掉，墊銅箔增加接觸可靠性。重新測試，效果很明顯，比標(biāo)準(zhǔn)線低約20dB。

3.2RE102測試

對機(jī)柜進(jìn)行電磁兼容RE102項(xiàng)測試，機(jī)柜內(nèi)安裝有百兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和無線數(shù)傳分機(jī)。測試在約187MHz超標(biāo)準(zhǔn)約5dB，每隔12.5MHz有一個(gè)波峰。

用近場探頭通過頻譜分析儀觀察，是機(jī)柜內(nèi)網(wǎng)絡(luò)交換分機(jī)內(nèi)部輻射所致。打開網(wǎng)絡(luò)交換分機(jī)，發(fā)現(xiàn)分機(jī)內(nèi)信號地與AC220V電源線捆扎在一起平行走線。電路內(nèi)部處理器的時(shí)鐘信號及其諧波在信號地上形成共模噪聲，并且耦合到電源線纜上，通過電源線纜進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射。

在分機(jī)內(nèi)“信號地”線上加磁環(huán)，抑制高頻干擾信號的通過，同時(shí)將信號地與電源線分開走線，降低到電源線的耦合。電源線上加磁環(huán)，將網(wǎng)絡(luò)交換分機(jī)到柜頂?shù)碾娫淳€與信號線分開走線。采用近場探頭測試，輻射有明顯降低，但在187MHz仍超約1.5dB。

通過近場探頭發(fā)現(xiàn)機(jī)柜無線數(shù)傳分機(jī)的AC220V輸出輻射較大，打開無線數(shù)傳分機(jī)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)線與AC220V輸出綁在一起走線，將AC220V輸出單獨(dú)走線，網(wǎng)線及其他電纜改為從光纖這端走線，柜頂端加磁環(huán)。重新測試，電場輻射在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

4　結(jié)束語

接地是電子設(shè)備最基本也是最重要的連接，接地連接的好壞，將影響設(shè)備性能的穩(wěn)定性，更嚴(yán)重地將影響設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)。接地不僅僅是簡單的將地線連接在一起，接地設(shè)計(jì)需要遵循兩個(gè)原則：（1）使電流環(huán)路面積盡量?。唬?）地線阻抗盡量小。將這兩個(gè)原則聯(lián)系具體的電路和設(shè)備特性，對系統(tǒng)進(jìn)行良好的接地設(shè)計(jì)，可以解決電磁兼容中的大部分問題。

參考文獻(xiàn)

［1］Tim Williams著，李迪譯.電磁兼容設(shè)計(jì)與測試［M］.電子工業(yè)出版社，2008.

［2］朱文立.電磁兼容設(shè)計(jì)與整改對策及案例分析［M］.電子工業(yè)出版社，2012.

［3］白同云，倪建平，劉以農(nóng)等.分層與綜合設(shè)計(jì)法—電磁兼容設(shè)計(jì)的新方法［A］.第十四屆全國電磁兼容學(xué)術(shù)會議論文集，2004.