提高燃料電池測(cè)試設(shè)備抗EMI能力的應(yīng)用研究

張煥文，杜祺漳，梁柱揚(yáng)，何炳林

（廣東省電子技術(shù)研究所，廣東 廣州 510630）

1 引言

電磁兼容是一門(mén)綜合性學(xué)科，它主要研究電磁干擾和抗干擾的問(wèn)題。電磁兼容性（EMC）是指電子設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下不因電磁干擾而降低性能指標(biāo)，同時(shí)它們本身產(chǎn)生的電磁輻射不大于設(shè)定的極限電平，不影響其它電子設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并達(dá)到部件與部件、設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。

在燃料電池測(cè)試設(shè)備中，氣體控制部分采用了電磁閥、循環(huán)控制器和質(zhì)量流量控制器等控制部件；在液體控制中采用了泵、加熱管和可控硅等控制部件；在電子負(fù)載單元中，采用了高速時(shí)鐘電路；在電路控制單元中采用了低頻模擬電路、大電流控制電路和小信號(hào)控制電路等技術(shù)。在所有這些控制部件中不乏電磁輻射信號(hào)源和電磁干擾敏感部件，因此，在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)不恰當(dāng)，就將導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，設(shè)備可靠性不高的問(wèn)題。

2 系統(tǒng)概況

燃料電池測(cè)試設(shè)備主要包括氫氣、氧氣兩路氣體對(duì)燃料電池進(jìn)行供氣，兩路氣體分別通過(guò)電磁閥、質(zhì)量流量控制器、加濕器和加熱器控制，最后進(jìn)入燃料電池陰陽(yáng)極氣體入口。在加濕器和加熱器的工作過(guò)程中，去離子水通過(guò)水泵給加濕器供水，加熱器通過(guò)溫控電路和可控硅對(duì)水進(jìn)行加熱控制。燃料電池陰陽(yáng)極供氣后，電池產(chǎn)生電壓。燃料電池通過(guò)電子負(fù)載單元進(jìn)行工況模擬測(cè)試，電路控制單元主要控制電磁閥、質(zhì)量流量控制器、可控硅和水泵等部件（設(shè)備系統(tǒng)示意圖如圖1所示）。

在系統(tǒng)工作的過(guò)程中，電磁閥、質(zhì)量流量控制器、水泵和可控硅等部件都是電磁輻射信號(hào)源，對(duì)電子負(fù)載單元、電路控制單元電路等敏感電路有較大的干擾，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)特別是電子負(fù)載單元和電路控制單元的設(shè)計(jì)上，需要進(jìn)行全面的電磁兼容設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠地工作。

3 燃料電池測(cè)試設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)

3.1 電子負(fù)載中的高速時(shí)鐘電路產(chǎn)生電磁干擾的應(yīng)對(duì)措施

在電子負(fù)載單元CPU控制板中，ARM7嵌入式單片機(jī)采用100 Mhz時(shí)鐘信號(hào)，屬于高速數(shù)字電路，此高速時(shí)鐘不但是電磁輻射最主要的信號(hào)源，也是高度敏感元件。由于高速電路數(shù)據(jù)快速傳輸和處理產(chǎn)生的信號(hào)有很高的重復(fù)頻率和脈沖上升時(shí)間，因此高頻諧波非常顯著，很容易對(duì)外進(jìn)行空間輻射干擾，而且本身電路的抗干擾能力也比較弱，因此設(shè)計(jì)好時(shí)鐘電路，是保證CPU控制板達(dá)到電磁輻射指標(biāo)的關(guān)鍵。

a）抑制電磁干擾信號(hào)源

抑制電磁干擾信號(hào)源采用以下方法：1）CPU控制板的電路板進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟季€，布線層應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰（這是為了產(chǎn)生通量對(duì)消作用）；2）在電路板布線時(shí)，時(shí)鐘高頻電路遠(yuǎn)離敏感電路；3）CPU板在設(shè)計(jì)上選擇邏輯器件時(shí)，盡量選用脈沖時(shí)序上升時(shí)間較長(zhǎng)的器件，決不能選比電路要求時(shí)序快的邏輯器件；4）為了減小終端輻射引起的時(shí)鐘信號(hào)抖動(dòng)或者過(guò)沖，采用電阻串聯(lián)、電阻并聯(lián)、戴維南網(wǎng)絡(luò)等阻抗匹配方法，計(jì)算和控制信號(hào)傳輸延遲時(shí)間和阻抗匹配情況[1]。

b）切斷傳播路徑

采用金屬屏蔽機(jī)箱，對(duì)CPU控制板進(jìn)行輻射屏蔽，切斷電磁輻射通過(guò)空間進(jìn)行干擾的雙向傳播途經(jīng)。金屬機(jī)箱不但減小CPU控制板時(shí)鐘電路的對(duì)外電磁輻射的強(qiáng)度，也提高了CPU控制板本身的抗干擾能力。金屬屏蔽機(jī)箱設(shè)計(jì)的原則是金屬板應(yīng)盡量地密封，即使無(wú)法密封的開(kāi)口或縫隙也要盡量地小，以保證金屬機(jī)箱的屏蔽效果（金屬屏蔽機(jī)箱示意圖如圖2所示）。

圖1 燃料電池測(cè)試設(shè)備

圖2 金屬屏蔽機(jī)箱

3.2 在電路控制單元中，抑制感性負(fù)載電磁干擾信號(hào)的方法

在燃料電池測(cè)試設(shè)備中，電路控制單元的控制對(duì)象大多數(shù)為感性負(fù)載，比如電磁閥、可控硅和水泵。由于部件負(fù)載電流比較大，在開(kāi)關(guān)接通瞬間，將產(chǎn)生較大的直流電流和交流電流，這種較大的電流通過(guò)電源線和地線對(duì)自身部件和相關(guān)聯(lián)部件產(chǎn)生直接的干擾，同時(shí)在電源線和地線周?chē)臻g產(chǎn)生干擾電磁場(chǎng)。另外，由于在負(fù)載導(dǎo)通期間，載流子充滿負(fù)載元件內(nèi)部，當(dāng)負(fù)載關(guān)斷時(shí)，正向電壓降為零，但內(nèi)部尚存留著載流子，因此這些載流子在反向電壓的作用下，出現(xiàn)瞬間的反向大電流，使得載流子瞬間消失，反向電流也消失得極快，導(dǎo)致di/dt極大，從而產(chǎn)生極大的反向電勢(shì)。這個(gè)反向電勢(shì)和正向電壓串聯(lián)，反向加在負(fù)載上，又因?yàn)榉聪螂妱?shì)一般可達(dá)到正常工作電壓的5-7倍，因此可能導(dǎo)致負(fù)載被擊穿或損壞。

采用阻容吸收電路可有效地抑制反向關(guān)斷電壓的電磁干擾（如圖3所示）。在阻容吸收電路中，電容器把過(guò)電壓的電磁能量轉(zhuǎn)變成靜電容量進(jìn)行存儲(chǔ)，電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振、限制負(fù)載開(kāi)通損耗和電流上升率。

圖3 阻容吸收電路

3.3 整機(jī)電力系統(tǒng)工頻諧波電磁干擾的應(yīng)對(duì)措施

在燃料電池測(cè)試設(shè)備的50 Hz交流信號(hào)中，夾雜著不同頻率的多次諧波干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)如果處理不好，就將有可能通過(guò)直流電源傳播到直流電路系統(tǒng)，給電路工作帶來(lái)不穩(wěn)定因素。

a）在交流電源的入口，接入交流EMI濾波電路（如圖4所示）。因?yàn)橛泻Φ碾姶鸥蓴_多次諧波頻率要比正常的信號(hào)頻率高得多，所以EMI濾波器是通過(guò)選擇性地阻攔或分流有害的高頻來(lái)發(fā)揮作用的。電磁干擾濾波器的感應(yīng)部分被設(shè)計(jì)作為一個(gè)低通器件使交流線路頻率通過(guò)，同時(shí)它還是一個(gè)高頻截止器件。電磁干擾濾波器的其它部分使用電容來(lái)分路或分流有害的高頻噪聲，使這些有害的高頻噪聲不能到達(dá)敏感電路。最終的結(jié)果是，電磁干擾濾波器顯著地降低或衰減了所有要進(jìn)入或離開(kāi)受保護(hù)電子器件的有害噪聲信號(hào)[2]。

圖4 交流EMI濾波電路

b）設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)布線時(shí)，交流電源線和其它線路分別走線，避免交流電源線和其它線路平行走線，防止交相鄰兩條平行線之間進(jìn)行互相耦合串?dāng)_。

3.4 直流供電電源抗干擾措施

由于燃料電池測(cè)試設(shè)備中的電子負(fù)載內(nèi)部既有數(shù)字電路、也有模擬電路，因此，如果電源和地線處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生相互之間的干擾。以下為直流供電電源在設(shè)計(jì)上的抗電磁干擾措施。

a）數(shù)字電源和模擬電源相互隔離，有效地抑制了數(shù)字電源和模擬電源之間的差模干擾；在數(shù)字電源地線和模擬電源地線的接入口，采用鐵氧體進(jìn)行連接，保證數(shù)字地和模擬地參考電平一致，有效地抑制相互之間由于電源隔離引起的共模干擾。

b）在關(guān)鍵的元器件比如CPU、AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓芯片等器件的電源入口，在電路設(shè)計(jì)時(shí)采用電感電容網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入電源進(jìn)行保護(hù)（如圖5所示）。電容的作用是去耦，可過(guò)濾高頻干擾信號(hào)。電感的作用是，提高線路端阻抗，防止電源由于電磁干擾引起的低頻波動(dòng)對(duì)器件工作產(chǎn)生影響 [3]。

圖5 電感電容網(wǎng)絡(luò)

3.5 低頻模擬信號(hào)和低速數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目闺姶鸥蓴_設(shè)計(jì)

a）差分傳輸

在燃料電池測(cè)試設(shè)備中，電流、電壓等低頻模擬信號(hào)在設(shè)計(jì)上采用差分信號(hào)傳輸，內(nèi)部電路板之間通信也采用低速數(shù)字差分信號(hào)RS485通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，抗共模噪聲干擾的能力大大增強(qiáng)。

b）傳輸線屏蔽

電流、電壓等差分模擬信號(hào)以及RS485等差分?jǐn)?shù)字信號(hào)，在傳輸介質(zhì)上采用阻抗相匹配的雙絞電纜進(jìn)行傳輸，同時(shí)雙絞電纜采用金屬屏蔽層進(jìn)行屏蔽，屏蔽層單端接地（如圖6所示）。傳輸線通過(guò)雙絞可提高傳輸線的信噪比，屏蔽層可有效地屏蔽外來(lái)的噪聲干擾，單端接地的目的是防止長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，地兩端由于可能的壓差導(dǎo)致屏蔽層產(chǎn)生電流，對(duì)內(nèi)部雙絞線形成一個(gè)干擾源。

圖6 雙絞屏蔽線單端接地

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上電磁兼容技術(shù)的應(yīng)用，采用高速電路設(shè)計(jì)和布線設(shè)計(jì)等技術(shù)抑制了電磁輻射信號(hào)源強(qiáng)度，采用屏蔽技術(shù)切斷了干擾源的主要傳播途徑，采用阻容吸收電路以及電感電容網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)提高了敏感器件的抗干擾性能。以上設(shè)計(jì)從整體上保證了燃料電池測(cè)試設(shè)備整機(jī)的良好電磁兼容性指標(biāo)。

[1]田廣錕.高速電路PCB設(shè)計(jì)與EMC技術(shù)分析 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]王平.配電動(dòng)力系統(tǒng)諧波諧振過(guò)壓研究 [J].電工技術(shù)，2002，（12）： 30-32.

[3]區(qū)健昌.電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.