車(chē)載電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)方法

     隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的數(shù)量及應(yīng)用逐漸增多，結(jié)果必將造成電磁干擾越來(lái)越嚴(yán)重。

　　在日趨惡劣的電磁環(huán)境中，如若不采取恰當(dāng)?shù)碾姶牌帘未胧?，?huì)導(dǎo)致設(shè)備之間的電磁干擾日益嚴(yán)重，電子設(shè)備的性能下降，甚者會(huì)危及到信息的安全。為了保證電子設(shè)備在復(fù)雜的電磁環(huán)境中既不干擾其他設(shè)備，而又不受其他設(shè)備干擾的影響而能正常工作,這就要求在設(shè)備研制的初期階段必須從結(jié)構(gòu)、技術(shù)等方面進(jìn)行嚴(yán)格的電磁兼容設(shè)計(jì)。

　　1   電磁兼容設(shè)計(jì)的基本要求

　　電磁兼容性是電子設(shè)備的主要性能之一，在進(jìn)行設(shè)備功能設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。

　　電磁兼容設(shè)計(jì)的目的是使所設(shè)計(jì)的設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電磁兼容，因此在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求: 首先明確設(shè)備所滿(mǎn)足的電磁兼容指標(biāo)，然后確定設(shè)備的敏感器件、干擾源及干擾途徑，有針對(duì)性地采取措施，最后通過(guò)試驗(yàn)了解設(shè)備是否達(dá)到了電磁兼容指標(biāo)要求。

　　2   電磁兼容設(shè)計(jì)所采取的方法

　　對(duì)于通信車(chē)而言，通常其所裝載的設(shè)備量很多,包括配電設(shè)備、通信設(shè)備及終端設(shè)備等，各設(shè)備間很容易形成電磁干擾，進(jìn)而影響通信質(zhì)量，因此設(shè)備在進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)要從3 要素( 干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備) 出發(fā)，采取各種有效手段，抑制干擾源,消除或減弱干擾耦合，增加敏感設(shè)備的抗干擾能力。

　　以某車(chē)載電子設(shè)備為例，由數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、斷路器、控制保護(hù)單元、互感器、接觸器等單元及元器件組成，其中數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、斷路器布置于前面板上，控制保護(hù)單元、互感器、接觸器等單元及元器件放在機(jī)箱內(nèi)部。此設(shè)備要滿(mǎn)足GJB151A- 97 有關(guān)的電磁兼容指標(biāo)要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面采取的主要措施有: 儀表窗口的屏蔽; 機(jī)箱縫隙的屏蔽; 各單元合理布局及其屏蔽; 電纜敷設(shè)以及電源線濾波等。

　　2.1   儀表窗口的屏蔽

　　儀表窗口對(duì)設(shè)備來(lái)說(shuō)是比較大的泄漏口，必須采取有效的措施將其屏蔽，為此采用加裝絲網(wǎng)屏蔽玻璃的方法對(duì)數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表進(jìn)行外部屏蔽。絲網(wǎng)屏蔽玻璃是由一種低阻抗的金屬絲網(wǎng)通過(guò)特殊工藝夾在兩層玻璃之間制成，絲網(wǎng)篩孔的密度決定其主要的屏蔽效能。如圖1 所示，由于玻璃周邊預(yù)留了10~ 20 mm 金屬絲網(wǎng)毛邊，通過(guò)螺裝金屬外框?qū)⑺o緊壓在機(jī)箱上，從而獲得連續(xù)的導(dǎo)電表面，以達(dá)到減少電磁泄露的目的。

圖1  儀表窗口的屏蔽

　　2.2   機(jī)箱縫隙的屏蔽

　　影響屏蔽完整性的主要因素是屏蔽體上的接縫。此車(chē)載電子設(shè)備的框架是采用鋁板折彎后對(duì)焊而成，焊縫平滑連續(xù)，屬于永久性接縫，這種接縫處的射頻電阻幾乎與金屬板本身的射頻電阻相同，從而保證了屏蔽體接合處的電氣連續(xù)性。對(duì)于可拆式接縫，如機(jī)箱、蓋板接合處，往往采用螺釘緊固方式,由于螺釘?shù)拈g距不宜太小，接合表面的不平整以及蓋板材料的翹曲變形等原因，使接合面處不可避免地產(chǎn)生了縫隙，降低了機(jī)箱的屏蔽效能，為此采取了2 種方法來(lái)解決此問(wèn)題: 增加縫隙深度，為了增加縫隙深度，機(jī)箱的彎邊寬度取15 mm，重疊尺寸越大,屏蔽效能越好; 減小縫隙長(zhǎng)度，由于鈑金機(jī)箱很難做到接合面處的高精度，為了彌補(bǔ)此缺陷，采用了經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法，在接合面處粘貼帶背膠的鈹青銅簧片，由于簧片具有一定的彈性，裝配后簧片變形，接觸面產(chǎn)生一定的壓力，使接合面具有了一定的電氣連續(xù)性。

　　2.3   機(jī)箱內(nèi)部各單元布局及其屏蔽

　　合理布置設(shè)備內(nèi)各單元及元器件的位置，可以做到既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用地減小干擾程度。首先必須明確干擾源和受感器，在本設(shè)備中干擾源是控制保護(hù)器,敏感設(shè)備是數(shù)字電流表和電壓表，為了避免二者緊鄰，把它們分別放置于機(jī)箱的后部和前部，用空間距離減弱彼此的電磁干擾。為了達(dá)到更有效的屏蔽效果，又在電流、電壓表的表體外圍罩有屏蔽盒，表頭緊貼前面板的屏蔽玻璃，玻璃的絲網(wǎng)毛邊通過(guò)螺裝金屬外框?qū)⑺蜋C(jī)箱、屏蔽盒聯(lián)成一體，從而使表體完全處于電氣連續(xù)的金屬罩中( 如圖1 所示) ，而電流、電壓表引線則由裝在屏蔽盒上的穿心電容引入,這樣使引線所感應(yīng)的干擾信號(hào)被旁路接地。同樣控制保護(hù)器也用屏蔽盒對(duì)其進(jìn)行了屏蔽，進(jìn)一步減小了它對(duì)外的輻射能量，從而獲得較好的屏蔽效果。

　　2.4   電纜選用及敷設(shè)

　　因?yàn)殡娎|是高效的電磁波接收和輻射天線，也是干擾傳導(dǎo)的良好通道，絕大多數(shù)設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題是電纜造成的，解決電纜問(wèn)題的主要方法之一是對(duì)電纜進(jìn)行屏蔽，所以此設(shè)備選取了屏蔽層質(zhì)量好( 低阻抗) 的電纜，并且保證電纜屏蔽層與機(jī)箱360..低阻抗搭接，使屏蔽層與機(jī)箱構(gòu)成一個(gè)完整的屏蔽體，這樣在一定程度上能夠解決電纜輻射的問(wèn)題。與此同時(shí)，在電裝布線時(shí)，要求電源配電線路與其它各類(lèi)線路保持150mm 距離，敏感電路和干擾電路各自單獨(dú)敷設(shè)，不能交叉重疊，且加大線束的間距，避免線纜間的耦合。

　　2.5  電源線濾波

　　為了抑制電源輸入端高頻干擾信號(hào)對(duì)本系統(tǒng)的影響，加裝了EMC 電源線濾波器。濾波器不同于其他電子元器件，它的性能與其安裝方式有很大關(guān)系,所以在濾波器的安裝方式上采取了一系列措施。如圖2 所示，首先濾波器輸入與輸出線要遠(yuǎn)離，以避免由于兩端耦合而導(dǎo)致高頻濾波效果變差等現(xiàn)象產(chǎn)生; 其次濾波器外殼與機(jī)箱低阻抗接觸，同時(shí)要減短電源端口到濾波器的連線，當(dāng)電流進(jìn)入機(jī)箱后，先流經(jīng)濾波器進(jìn)行濾波，然后再到其他各單元; 最后電源端口與濾波器之間連線也要進(jìn)行屏蔽，這樣外界的電磁干擾不能沿電源線進(jìn)入設(shè)備，機(jī)箱內(nèi)的電磁干擾也無(wú)法傳出機(jī)箱，造成干擾發(fā)射超標(biāo)。

圖2   電源濾波器安裝方式

　　2.6   接地

　　接地是電子設(shè)備的一個(gè)很重要的問(wèn)題，它可以使整個(gè)電路系統(tǒng)中所有單元電路的地之間沒(méi)有電位差，保證設(shè)備能穩(wěn)定地工作。

　　此車(chē)載設(shè)備的后面板上安裝有接地柱，即機(jī)殼地。機(jī)殼地可以使由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過(guò)大地泄放，避免由于靜電放電時(shí)產(chǎn)生的大電流流進(jìn)設(shè)備的電路對(duì)其造成干擾和危害，合理的接地點(diǎn)對(duì)于整個(gè)機(jī)箱的屏蔽效能十分重要。

　　3   測(cè)試結(jié)果及完善措施

　　此車(chē)載設(shè)備在采取了以上電磁兼容措施后，按GJB151A- 97 有關(guān)的電磁兼容指標(biāo)要求進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)除了RE102 試驗(yàn)項(xiàng)目超標(biāo)外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均合格。

　　對(duì)RE102 試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果圖的超標(biāo)點(diǎn)為24 MHz、36 MHz 兩點(diǎn)，而這兩點(diǎn)分別是12 MHz 頻率點(diǎn)的二三次諧波。為了找到這一頻率點(diǎn)的元器件，對(duì)機(jī)箱內(nèi)各單元進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)控制保護(hù)單元中有一個(gè)12MHz 晶振，由于晶振屬于高噪聲元器件，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，從而使其周邊充滿(mǎn)著近場(chǎng)輻射場(chǎng)。如果輻射場(chǎng)內(nèi)有器件或走線，晶振及其諧波信號(hào)將耦合到器件或走線上而輻射出去;再者又發(fā)現(xiàn)控制保護(hù)單元的PCB 板未采取就近接地措施，只是通過(guò)一根長(zhǎng)引線和機(jī)殼地相連，造成信號(hào)的環(huán)路面積增大，產(chǎn)生了很強(qiáng)的輻射，所以對(duì)控制保護(hù)單元采取措施應(yīng)該是行之有效的。首先對(duì)晶振進(jìn)行屏蔽且屏蔽體就近接地，弱化輻射發(fā)射強(qiáng)度; 然后控制保護(hù)單元的PCB 板同樣采取就近接地措施,并且在屏蔽盒出口處的信號(hào)線上安裝一個(gè)鐵氧體磁環(huán)，可以將不需要的高頻干擾抑制掉。通過(guò)采取以上措施后，RE102 試驗(yàn)指標(biāo)合格，如圖3 所示。

圖3  測(cè)試結(jié)果圖

　　4   結(jié)束語(yǔ)

　　由上所述可以看出，電磁兼容是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性學(xué)科，無(wú)論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是印制板設(shè)計(jì)，都需要采取行之有效的方法。該車(chē)載設(shè)備在采取了以上各種有效措施后，終于達(dá)到了更為理想的電磁兼容效果。