王 軍， 劉 雄， 劉 紅， 琚格格

(1.中國船級社 武漢分社， 湖北 武漢430205；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所， 湖北 武漢430205)

0 引 言

目前船用電氣電子設(shè)備主要依據(jù)中國船級社(簡稱CCS)制定的GD 01-2006《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗指南》(該指南的更新升級版本GD 22-2015《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗指南》已發(fā)布，新舊指南在測試項目、測試方法和測試要求上并無本質(zhì)區(qū)別。本文的分析內(nèi)容雖以舊版本GD 01-2006指南為基礎(chǔ)支撐，卻同樣適用于依據(jù)GD 22-2015新指南進(jìn)行型式認(rèn)可的電氣電子產(chǎn)品)進(jìn)行電磁兼容性型式認(rèn)可試驗，該試驗指南包括具體的測試項目以及相應(yīng)的測試方法和測試要求。

產(chǎn)品在EMC檢測認(rèn)證過程中如果出現(xiàn)反復(fù)測試、多次整改的情況，設(shè)備廠商將承擔(dān)大量超出預(yù)算的檢測認(rèn)證費(fèi)用，同時，項目也可能因此延遲交付。CCS聯(lián)合中國船舶工業(yè)武漢機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境與可靠性試驗檢測中心(簡稱“檢測中心”)對其長期累積的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)產(chǎn)品在試驗過程中易出現(xiàn)的普遍問題。對這些問題的分析總結(jié)，可為其他產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計提供參考，使其能一次性通過EMC檢測認(rèn)證。

檢測中心于2014年1月-2016年6月共完成53臺(套)民船電氣電子設(shè)備的EMC檢測認(rèn)證，其中13臺(套)設(shè)備出現(xiàn)了電磁干擾現(xiàn)象。在這些不合格產(chǎn)品中出現(xiàn)不合格測試項的總次數(shù)為17次，其中傳導(dǎo)發(fā)射次數(shù)為4次，端口輻射發(fā)射次數(shù)為10次，浪涌抗擾度次數(shù)為1次，電快速瞬變脈沖群抗擾度次數(shù)為1次、靜電放電抗擾度次數(shù)為1次。具體如圖1所示。

圖1 不合格項次數(shù)統(tǒng)計

由圖1可知，發(fā)射測量試驗在不合格測試項目中占較大比重。本文重點(diǎn)分析發(fā)射測量試驗項目的實質(zhì)、試驗故障產(chǎn)生的原因，并結(jié)合實際案例總結(jié)電氣電子產(chǎn)品EMC設(shè)計防護(hù)的注意事項。

1 發(fā)射騷擾測量的實質(zhì)

發(fā)射測量的目的是通過測試對電氣電子設(shè)備的騷擾發(fā)射進(jìn)行符合性判斷，防止其對其他電子設(shè)備產(chǎn)生不良影響。從騷擾能量的發(fā)射途徑上劃分，騷擾發(fā)射分為傳導(dǎo)性發(fā)射和輻射性發(fā)射。

1.1 傳導(dǎo)發(fā)射測量實質(zhì)

傳導(dǎo)發(fā)射測量是測量電氣電子設(shè)備所產(chǎn)生的并出現(xiàn)在其供電端口(交流和直流)的任何信號。這些信號能在船舶供電系統(tǒng)中傳導(dǎo)，從而可能騷擾其他設(shè)備。該測試的目的是保障船上配電系統(tǒng)的電源質(zhì)量。傳導(dǎo)測量的測試框圖如圖2所示。

圖2 傳導(dǎo)測試框圖

圖2中曲線1和曲線2為受試設(shè)備(Equipment Under Test， EUT)電源線上干擾信號主要回路。測量接收機(jī)信號輸入端與圖中“測量接收機(jī)輸入端”相連，接收機(jī)輸入端口阻抗為50 Ω，接收機(jī)上最終的測試結(jié)果是線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (Line Impedance Stabilization Network， LISN)中1 kΩ電阻與接收機(jī)50 Ω內(nèi)阻并聯(lián)后的等效電阻上的電壓。因此，要控制接收機(jī)上的最終測試結(jié)果，需控制流過該等效電阻上的電流，這是控制傳導(dǎo)發(fā)射的關(guān)鍵[1]。

1.2 外端口輻射發(fā)射測量實質(zhì)

外端口輻射發(fā)射測量是測量電氣電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁場干擾信號，其目的是對電氣電子設(shè)備的輻射發(fā)射進(jìn)行符合性驗證，以保障船上電氣電子設(shè)備不會相互干擾。輻射發(fā)射測量的實質(zhì)是測量產(chǎn)品中兩種等效天線所產(chǎn)生的輻射信號強(qiáng)度，第一種等效天線模型是信號回路，第二種等效天線模型是單極天線(或?qū)ΨQ偶極子天線)。最終的測量結(jié)果主要由兩部分相加得到，一部分是接收機(jī)測量到的接收天線感應(yīng)到的電場強(qiáng)度，另一部分為該天線的天線系數(shù)。

2 分析設(shè)備發(fā)射干擾產(chǎn)生的原因

2.1 傳導(dǎo)發(fā)射干擾產(chǎn)生的原因

傳導(dǎo)發(fā)射按照產(chǎn)生發(fā)射的機(jī)理分為諧波發(fā)射和射頻發(fā)射。諧波發(fā)射是指交流電的諧波成分的發(fā)射，其產(chǎn)生的主要原因是設(shè)備的非線性導(dǎo)致的工作電壓、電流的畸變；射頻發(fā)射是更高頻率的騷擾成分，這些騷擾成分主要來自于開關(guān)電源的頻繁切換以及數(shù)字電路高低電平的轉(zhuǎn)換、感性負(fù)載的切換等。另外，供電電源線也可能感應(yīng)外部空間的輻射干擾而產(chǎn)生射頻傳導(dǎo)干擾。

2.2 輻射發(fā)射干擾產(chǎn)生的原因

電氣電子產(chǎn)品產(chǎn)生輻射發(fā)射的兩個必要條件是驅(qū)動源和輻射發(fā)射天線。驅(qū)動源包括系統(tǒng)內(nèi)各個電路正常工作時產(chǎn)生的有用信號源和由于產(chǎn)品中存在的未知信息(包括線路之間的寄生電感、寄生電容等)在等效天線中感應(yīng)寄生的干擾信號；輻射發(fā)射天線主要包括產(chǎn)品電路板上環(huán)路等效天線和單極等效天線(或?qū)ΨQ偶極子天線)。滿足以上兩個必要條件后，產(chǎn)品在工作時就會向空間環(huán)境輻射信號。

3 騷擾發(fā)射測量應(yīng)對措施

傳導(dǎo)發(fā)射測量和輻射發(fā)射測量都是測量產(chǎn)品自身向周圍環(huán)境傳遞出的電磁能量，測試值過高會對鄰近的無線接收設(shè)備或靈敏設(shè)備造成干擾。

3.1 傳導(dǎo)發(fā)射的抑制方法

電源線上的高次諧波和電源線上感應(yīng)的共模、差模干擾信號是引起測試結(jié)果不滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求的主要原因，而抑制流過等效電阻上的電流是控制傳導(dǎo)發(fā)射的關(guān)鍵。結(jié)合實驗室實際檢測情況，主要的措施方法包括：濾波處理、接地處理、部件結(jié)構(gòu)布局調(diào)整。

3.1.1 濾波處理

濾波處理的主要目的是通過濾波處理，為騷擾信號提供合適的電流回路從而減少流過等效電阻的電流。由于電路系統(tǒng)中任何部分的騷擾信號都可能通過耦合的方式對輸入電源線產(chǎn)生影響，因此在產(chǎn)品電路的各個設(shè)計模塊中都應(yīng)加入濾波處理。目前實驗室有記錄的傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)的整改措施都是選擇更換合適的電源濾波器。具體情況如表1所示。

表1 樣品傳導(dǎo)發(fā)射測試情況

表1為傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)實例，其中包括檢測產(chǎn)品的名稱、超標(biāo)情況、初測結(jié)果、復(fù)測結(jié)果、整改措施。在實際工程中，即便工程師知道需在電路的輸入端或電源線上安裝電源濾波器，但在很多情況下按照設(shè)計制作的濾波器在實際測試中的效果卻并不理想。這是因為工程師可能沒有注意以下幾點(diǎn)：

(1) 濾波電容的不理想性。在選擇濾波電容時需根據(jù)實際情況結(jié)合電容器的串聯(lián)諧振點(diǎn)選擇合適的濾波電容。

(2) 濾波電感的不理想性。在選擇濾波電感時需根據(jù)實際情況結(jié)合電感器的并聯(lián)諧振點(diǎn)選擇合適的濾波電感。

在濾波器的選用和安裝過程中需考慮以下幾個方面：

(1) 電源線濾波器可選用具有共模與差模濾波元件的組合式集成電源線濾波模塊，其集成封裝的結(jié)構(gòu)可以避免由于濾波模塊內(nèi)部電磁泄漏帶來的干擾問題。

(2) 在所要求的頻率范圍內(nèi)，濾波器的阻抗必須與其連接的干擾源阻抗和負(fù)載阻抗相匹配：如果負(fù)載是高阻抗，則濾波器的輸出阻抗需為低阻抗；如果負(fù)載是低阻抗，則濾波器的輸出阻抗則需為高阻抗。

(3) 濾波器必須具有一定的耐壓能力，能夠經(jīng)受輸入瞬時高壓的沖擊。

(4) 根據(jù)電子設(shè)備的電流消耗，選擇的電源線濾波器應(yīng)具有較大的額定電流。

(5) 電源線濾波器需有較好的高頻特性以免引起電源線的輻射發(fā)射和設(shè)備抗高頻干擾能力的下降。

(6) 在濾波器的安裝過程中：濾波器的接地點(diǎn)應(yīng)與設(shè)備機(jī)殼的接地點(diǎn)相連，并盡量縮短接地線；若濾波器噴過漆，則必須刮去漆皮；濾波器需安裝在設(shè)備電源線輸入端，連線需盡量短；濾波器輸入線和輸出線應(yīng)盡可能分離[2]。

3.1.2 接地處理

接地處理的目的是通過合適的接地方式，為電路系統(tǒng)中的騷擾信號提供合適的閉環(huán)回路，使騷擾信號盡可能少地流過等效電阻。該處理方式需首先定位騷擾源，然后通過地線短接的方式，為地線上的騷擾源提供完整的閉環(huán)回路，從而減少流過真正地線的電流。在測試配置時，需注意將接地線與電源線一起走線，不能按“就近接地方式”，以免造成較大的環(huán)路而接收到騷擾信號[3]。

3.1.3 結(jié)構(gòu)調(diào)整

調(diào)整系統(tǒng)中相關(guān)部件的位置或形狀的主要目的是通過調(diào)整系統(tǒng)中容易產(chǎn)生信號耦合的部件的位置或形狀，減少該部件通過耦合方式向電源線或地線進(jìn)行耦合騷擾，從而規(guī)避由信號耦合造成的傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。

綜上所述，傳導(dǎo)測試的實質(zhì)是控制流過等效電阻中的電流，因此無論是采取濾波方式還是接地處理亦或是調(diào)整設(shè)備的結(jié)構(gòu)，只要能控制流過等效電阻的電流都將是行之有效的處理措施。

3.2 輻射發(fā)射的抑制方法

發(fā)生輻射騷擾問題需同時滿足3個條件：騷擾源、敏感源和傳播路徑。從抑制輻射騷擾的角度，可以從騷擾源和傳播路徑兩方面采取措施對輻射騷擾進(jìn)行抑制。對于騷擾源的控制，需從電路結(jié)構(gòu)和電路板的設(shè)計方面入手；對于傳播路徑的處理，主要采取屏蔽和濾波處理。

輻射發(fā)射抑制的具體措施包括對機(jī)箱進(jìn)行屏蔽處理、對線纜進(jìn)行屏蔽濾波處理、設(shè)計良好的線路板、設(shè)計良好的電路，如圖3所示。

圖3 輻射發(fā)射抑制措施

實驗室對輻射超標(biāo)設(shè)備的記錄情況如表2所示，包括產(chǎn)品名稱、輻射發(fā)射超標(biāo)范圍、整改措施。由表2可知，超標(biāo)頻率的范圍較廣，但整改措施總體分為兩類：一類是對機(jī)箱進(jìn)行屏蔽處理；另一類是對線纜進(jìn)行屏蔽處理。這是因為產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容試驗時已經(jīng)完成產(chǎn)品的功能和性能檢測，處于產(chǎn)品研制的后期，很難從電路部分對產(chǎn)品的電磁兼容性進(jìn)行整改，只能采用屏蔽的方式對產(chǎn)品進(jìn)行處理。

表2 樣品輻射發(fā)射測試情況

續(xù)表2 樣品輻射發(fā)射測試情況

3.2.1 機(jī)箱屏蔽處理

電氣電子設(shè)備工作時會向周圍環(huán)境輻射電磁能量，頻率越高就越容易產(chǎn)生電磁輻射。如果設(shè)備采用金屬機(jī)箱，或在塑料機(jī)箱內(nèi)噴涂一層金屬作為屏蔽層，則電磁能量可能會被限制在設(shè)備內(nèi)部，限制的程度取決于機(jī)箱的屏蔽效能。如果機(jī)箱上有較大的孔或較長的縫隙，則屏蔽效能會大幅下降，產(chǎn)生電磁能量泄漏。根據(jù)電磁理論，這些孔縫相當(dāng)于1個二次發(fā)射天線，當(dāng)這些孔縫的長度等于半波長的整數(shù)倍時，泄漏能量最大。對于固定的孔縫，頻率越高，泄漏越嚴(yán)重。一般要求孔縫長度應(yīng)為：l<λ/50，l為孔縫尺寸，λ為設(shè)備內(nèi)可能輻射的最高頻率的波長[4]。

電磁輻射的泄漏點(diǎn)可通過近場磁場探頭沿機(jī)殼孔縫移動進(jìn)行定位，如果在某個孔縫處發(fā)現(xiàn)較大的泄漏場強(qiáng)，可通過臨時在該處添加導(dǎo)電襯底、采用波導(dǎo)設(shè)計、縮短連接螺絲的間距等措施進(jìn)行改進(jìn)。

以激光陀螺儀設(shè)備為例說明機(jī)箱屏蔽處理在抑制電磁輻射發(fā)射方面的作用。該產(chǎn)品要求按照GD 01(3.3)及相關(guān)測量方法進(jìn)行試驗。試驗范圍：150 kHz～2 GHz，以準(zhǔn)峰值檢波方式進(jìn)行測量。試驗限值按一般配電區(qū)限值EMC 2限值進(jìn)行試驗。初次測試時在3～4 MHz，30～450 MHz等頻段內(nèi)有超標(biāo)現(xiàn)象。測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 激光陀螺儀設(shè)備輻射發(fā)射不合格

對機(jī)箱殼體進(jìn)行屏蔽處理，對殼體添加導(dǎo)電橡膠圈，重新測試，測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求，具體如圖5所示。

圖5 激光陀螺儀設(shè)備輻射發(fā)射合格

3.2.2 線纜處理

電纜產(chǎn)生輻射的機(jī)理主要有兩種：一種是電纜中的信號回路產(chǎn)生的差模輻射；另一種是電纜上的共模電流產(chǎn)生的共模輻射。由于信號線與回線之間的距離很小，由此形成的差模電流面積也很小，因此差模輻射往往不是主要的輻射因素。共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的，共模電流的環(huán)路是由電纜與參考地及雜散電容構(gòu)成的，因此具有較大的環(huán)路面積，會產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射。

根據(jù)電纜共模輻射機(jī)理，常采用以下方式控制電纜共模輻射：

(1) 盡量控制電纜長度并使電纜長度小于波長的一半以下。

(2) 在電纜上串聯(lián)共模扼流圈增加共模電流回路的阻抗從而減小共模電流。

(3) 減小共模電壓?？梢詮囊韵聨讉€方面控制電纜上的共模電壓：①采取各種措施降低地線的阻抗，降低地線上的噪聲電壓，從而降低外拖電纜上的共模電壓；②強(qiáng)干擾電路遠(yuǎn)離I/O端口；③屏蔽內(nèi)部電纜。當(dāng)內(nèi)部電纜較長時，其更容易感應(yīng)上較高的共模電壓，這時可以將內(nèi)部電纜屏蔽起來，屏蔽層與金屬機(jī)箱用低阻抗連接起來。

(4) 電纜屏蔽。其目的是為共模電流提供1條低阻抗的路徑，使共模電流環(huán)路面積較小。該方法的核心有兩點(diǎn)：其一，用屏蔽電纜控制電纜共模輻射的本質(zhì)是減小共模電流的回路面積，具體如圖6所示；其二是屏蔽層必須有很低的阻抗[5]。

圖6 共模電流回路面積示例

以某研制單位研發(fā)的火災(zāi)報警系統(tǒng)為例，說明線纜屏蔽處理在抑制電磁輻射發(fā)射方面的作用。該產(chǎn)品按照GD 01(3.3)及相關(guān)測量方法進(jìn)行試驗。試驗范圍：150 kHz～2 GHz，以準(zhǔn)峰值進(jìn)行測量。試驗限值按一般配電區(qū)限值EMC 2進(jìn)行試驗。初次測試時在4～200 MHz頻段超標(biāo)，最大超標(biāo)幅度為7 dB。測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 火災(zāi)報警系統(tǒng)輻射發(fā)射不合格

對線纜進(jìn)行屏蔽處理，對電纜套防波套管，重新測試，測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求，具體如圖8所示。

圖8 火災(zāi)報警系統(tǒng)輻射發(fā)射合格

3.2.3 良好的線路板設(shè)計

線路板設(shè)計的核心是減小信號電流的回路面積，降低地線上的共模電壓，對強(qiáng)輻射源電路進(jìn)行局部屏蔽，常用方法如下：

(1) 使用多層線路板為數(shù)字電路設(shè)置地線面與電源線面，為高頻脈沖信號提供最小的回路面積，降低電源線上的噪聲，從而降低電纜上的共模電流。

(2) 地線面上避免有長縫隙，以防其截斷信號回路路徑，使回路面積增加。

(3) 采用網(wǎng)格地的地線，降低電纜上的共模電流。

(4) 芯片旁的儲能電容與所供電的芯片之間的供電回路面積需盡可能小。

(5) 濾波電容的引線盡量短。

(6) 保持時鐘的回路面積最小。

(7) I/O端口的濾波電路盡可能靠近機(jī)箱上的I/O插座。

(8) I/O端口設(shè)置干凈地，減少與其他信號回路共有的地線部分，并將其通過最低的阻抗連接至設(shè)備的導(dǎo)電外殼。

3.2.4 良好的電路設(shè)計

電路設(shè)計的核心內(nèi)容是降低電路的工作頻率，降低電路的回路面積，限制進(jìn)入電纜的共模電流，具體方法如下：

(1) 不使用超過需要的時鐘頻率。

(2) 限制時鐘信號的上升沿/下降沿。一般在時鐘電路的輸入端安裝鐵氧體磁珠就可使脈沖光信號的上升沿/下降沿變緩。

(3) 盡量使用大規(guī)模集成電路。大規(guī)模集成電路的尺寸遠(yuǎn)小于線路板，這意味著其信號電流的回路面積遠(yuǎn)小于線路板上信號電流回路面積。

(4) 在滿足功能的前提下，盡可能使用較低速的數(shù)字芯片。較低速的電路不僅產(chǎn)生較少的電磁輻射，而且對外部騷擾的抵抗力也較高。

(5) 所有I/O端口安裝適當(dāng)?shù)臑V波電路。

(6) 完善的電源解耦電路。特別是在高速數(shù)字電路的場合，以及數(shù)字電路與模擬電路共用電源的場合。

4 結(jié) 論

本文通過對中國船級社制定的GD 01-2006《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗指南》中EMC試驗項目的試驗原理進(jìn)行分析，結(jié)合檢測中心長期累積的檢測數(shù)據(jù)，對易出現(xiàn)電磁不兼容的試驗項目提出設(shè)備電磁兼容性改進(jìn)的措施方法。這些措施方法表明設(shè)備最終通過EMC電磁兼容認(rèn)證并非完全依靠產(chǎn)品成型后的整改，而是電氣電子產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計應(yīng)滲透至產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程，包括電路級的電磁兼容設(shè)計、電路板級的電磁兼容設(shè)計、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計、電源信號濾波設(shè)計等。只有這樣研制出的電氣電子產(chǎn)品才能保證其可靠性、安全性，才能更好地服務(wù)于船用系統(tǒng)。