艦船電力電子設(shè)備電磁干擾控制措施研究

徐 平，萬海軍，張 勇，劉正偉

（海軍裝備研究院標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究所，上海 200235）

艦船電力電子設(shè)備電磁干擾控制措施研究

徐 平，萬海軍，張 勇，劉正偉

（海軍裝備研究院標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究所，上海 200235）

現(xiàn)代化艦船大量使用電力電子設(shè)備，其在高效指揮和控制現(xiàn)代化艦船的過程中，由于其自身的電磁特性，必然會帶來電磁干擾問題，使得艦船上的電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜，因此必須采取措施控制其產(chǎn)生的電磁干擾。首先介紹了電力電子設(shè)備電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，然后從EMI濾波、機(jī)箱屏蔽、電路板抗干擾設(shè)計(jì)、接地和電路隔離等幾個(gè)方面，對電力電子設(shè)備電磁干擾控制措施進(jìn)行了分析研究。這些方面的研究可以為艦船電力電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

艦船；電力電子設(shè)備；電磁兼容性；電磁干擾；濾波；屏蔽

現(xiàn)代化艦船是未來海軍信息化作戰(zhàn)的主要武器平臺，其有限空間內(nèi)的電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁頻譜覆蓋范圍寬，其電力電子設(shè)備極易產(chǎn)生并遭受各類型電磁干擾的影響，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)失靈，甚至可能產(chǎn)生致命的故障或事故。電力電子設(shè)備由于其自身的電磁特性，其在高效指揮和控制現(xiàn)代化艦船的過程中，又成為艦船上最主要的電磁干擾源和受擾設(shè)備。因此，艦船電力電子設(shè)備的電磁干擾控制成為目前提升艦船綜合作戰(zhàn)效能一個(gè)迫切需要解決的問題。

艦船電力電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾主要包括3個(gè)方面的基本要素：電磁干擾源、敏感設(shè)備（即對干擾源產(chǎn)生的干擾能量敏感的接收設(shè)備）和耦合途徑（包括輻射耦合、傳導(dǎo)耦合），具體如圖1所示。因此，要解決電力電子設(shè)備的電磁干擾問題就需要對這3個(gè)要素進(jìn)行控制?；痉绞绞牵?）對電磁干擾源的電磁特性進(jìn)行分析，控制并抑制其產(chǎn)生的干擾信號；2）對艦船上的關(guān)鍵性接收設(shè)備進(jìn)行加固處理，增強(qiáng)敏感設(shè)備的抗干擾能力；3）對電磁信號的傳播方式進(jìn)行研究，切斷或阻礙干擾信號的傳播途徑。具體控制措施包括：EMI濾波、機(jī)箱屏蔽、印制電路板（PCB）抗干擾設(shè)計(jì)、接地和電路隔離等［1］。

1 EMI濾波

圖1 抑制電磁干擾的三種方式

傳導(dǎo)干擾是艦船電力電子設(shè)備產(chǎn)生的一種典型電磁干擾，具體可分為共模干擾和差模干擾，這兩種形式的電磁干擾使用EMI濾波技術(shù)進(jìn)行抑制是目前普遍采用的措施。圖2是用于抑制開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的EMI無源濾波器（低通濾波器）的基本電路結(jié)構(gòu)［2－3］，其可以有效解決電源線的電磁干擾問題。

實(shí)際設(shè)計(jì)和選用EMI濾波器一定要綜合考慮共模濾波電路和差模濾波電路，具體步驟如下：1）采用EMI測量接收機(jī)測量傳導(dǎo)干擾，主要是CE101（25 Hz～10 k Hz電源線傳導(dǎo)發(fā)射）和CE102（10 k Hz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射）項(xiàng)目；2）根據(jù)工程實(shí)際選擇電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，并與標(biāo)準(zhǔn)要求的限值進(jìn)行對比；3）針對超標(biāo)情況，選擇對超標(biāo)信號或超過實(shí)際工程應(yīng)用所需信號的幅值和頻帶有抑制作用的電源濾波器。

圖3給出一個(gè)工程應(yīng)用實(shí)例，某型號艦船顯控臺配電箱在進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)，CE102測試數(shù)據(jù)超出GJB151A—97規(guī)定的極限（曲線1）［4］。為此，針對超限值信號特點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇對幅值和頻帶抑制條件合適的EMI濾波器，加裝該濾波器以后，測試合格（曲線2）。

圖2 EMI無源濾波器基本電路結(jié)構(gòu)

2 機(jī)箱屏蔽

屏蔽技術(shù)在艦船電力電子設(shè)備機(jī)箱設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛，其主要作用是盡量減少電磁干擾向外界輻射的強(qiáng)度，最大優(yōu)點(diǎn)是不會影響電力電子設(shè)備整體電路的設(shè)計(jì)和正常工作。屏蔽技術(shù)可分為對輻射電磁波部位的屏蔽和易受電磁波影響的元器件的屏蔽。以開關(guān)電源為例，變壓器、電感器、功率器件等都是易于輻射電磁波的元器件，采用的屏蔽措施是在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽隔層，以使電磁波產(chǎn)生衰減。此外，為阻止或較少輻射干擾向外部發(fā)散，還應(yīng)采取整體屏蔽措施；運(yùn)用整體屏蔽措施時(shí)，應(yīng)充分考慮屏蔽材料的導(dǎo)電性、屏蔽材料的接縫、導(dǎo)線的I／O接口、散熱和結(jié)構(gòu)成本等方面的因素。

圖3 配電箱CE102（傳導(dǎo)發(fā)射）測試數(shù)據(jù)圖

對機(jī)箱進(jìn)行屏蔽處理一般采用以下幾種方式。1）機(jī)箱整體表面：導(dǎo)電復(fù)合塑料或?qū)щ姳∧ぃ?］包覆；2）機(jī)箱接縫：在密封槽內(nèi)安裝導(dǎo)電襯墊，以保證機(jī)箱電氣上的連續(xù)性；3）風(fēng)孔：在孔面覆蓋金屬絲網(wǎng)或采用穿孔金屬板；4）顯示器、鍵盤等：采用導(dǎo)電涂覆或帶有金屬絲網(wǎng)的透明玻璃、屏蔽玻璃；5）連接器、開關(guān)、指示燈等：在其相應(yīng)位置后面加裝屏蔽罩。具體如圖4所示。

圖4 典型艦船電力電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

3 電路板抗干擾設(shè)計(jì)

由于艦船電力電子設(shè)備工作在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，因此在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)時(shí)尤其需要考慮電路板布局、布線及接地等方面的抗干擾措施，以減小電路板產(chǎn)生的電磁輻射和電路板上電路之間的相互串?dāng)_。

1）電路板布局

電路板布局的流程如圖5所示。①首先考慮電路板的尺寸與形狀，原則是保證鄰近電路不受干擾的前提下減小尺寸，以控制成本和提高抗噪聲能力；電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3∶2或4∶3；②確定特殊元器件（如信號產(chǎn)生器、晶振等）的核心位置；③以電路主要功能單元為基礎(chǔ)，對其他元器件進(jìn)行布局；同時(shí)考慮元器件之間的分布參數(shù)，元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在電路板上，各元器件之間的引線和連接取最捷路徑。

2）電路板布線

電路板布線的規(guī)則是減小高頻電流環(huán)路包圍的面積和高導(dǎo)體的面積，以降低電磁干擾電平。以開關(guān)電源設(shè)計(jì)為例，主要方法有：①使用電磁場分析軟件（如Ansoft）提取寄生電阻、電感、電容等寄生參數(shù)，代入電路分析軟件（如Pspice）進(jìn)行電路仿真，最后得出對電磁兼容性影響最重要的參數(shù)；②用電磁場計(jì)算軟件提取電路板的雜散參數(shù)，用高頻阻抗分析儀測量無源元件的高頻寄生參數(shù)，建立完整的開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾模型，再利用仿真軟件進(jìn)行電磁干擾預(yù)測［6］。

圖5 電路板布局最佳流程

4 接地和電路隔離

4．1 接地

接地處理是抑制電力電子設(shè)備電磁干擾的重要方法之一，主要包括：安全接地（金屬機(jī)殼機(jī)架接地）、工作接地（系統(tǒng)地線）和屏蔽接地（電纜、變壓器等屏蔽層接地）。其中，工作接地是艦船電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)中尤其需要關(guān)注的；此外，接地處理時(shí)還應(yīng)綜合考慮以下幾點(diǎn)。1）采用“浮地”技術(shù)將交流與直流電源地分開，隔離來自交流電源地線的干擾；2）模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開以抑制數(shù)字芯片的干擾；3）功率地與弱電地分開；4）多點(diǎn)接地技術(shù)應(yīng)用以保證屏蔽層上有最低的地電位［7］；5）敏感電路、數(shù)據(jù)采集電路懸浮地處理，I／O信號電路光耦隔離以保證電路不受電磁干擾影響。

4．2 電路隔離

圖6 帶屏蔽層的隔離變壓器示意圖

為抑制艦船電力電子設(shè)備的噪聲干擾，常采用的電路隔離方式有3種：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離和數(shù)／模電路之間的隔離［8］。

1）模擬電路的隔離：艦船供電電網(wǎng)上接入的電力電子設(shè)備眾多，極易產(chǎn)生各種類型的諧波、雷擊浪涌和高頻噪聲等干擾。主要的抑制措施是使用帶有屏蔽層的電源變壓器進(jìn)行電路隔離，如圖6所示；2）數(shù)字電路的隔離：數(shù)字輸入系統(tǒng)采用脈沖變壓器、光電耦合器隔離，數(shù)字輸出系統(tǒng)則采用光電耦合器、繼電器隔離，特殊情況采用高頻變壓器隔離；3）數(shù)／模電路之間的隔離：這是艦船電力電子設(shè)備最常用到的一種電路隔離方式。由于數(shù)字電路中的高頻信號會對模擬電路造成干擾，因此一般采用圖7所示的隔離電路進(jìn)行處理。在前置處理電路與A／D轉(zhuǎn)換電路之間加入線性隔離放大器，把信號地與模擬地隔開；同時(shí)在A／D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字電路之間采用光電耦合器隔離，把模擬地與數(shù)字地隔開。

5 結(jié) 語

圖7 數(shù)／模電路的隔離處理電路

現(xiàn)代化艦船是一個(gè)復(fù)雜的綜合作戰(zhàn)平臺，由于電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得有限空間內(nèi)的電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。為了保證艦船電力電子設(shè)備的正常工作以及綜合作戰(zhàn)效能的充分發(fā)揮，必須從整體的角度采取各方面的措施來控制電磁干擾。本文首先介紹了電力電子設(shè)備電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，然后從EMI濾波、機(jī)箱屏蔽、電路板抗干擾設(shè)計(jì)、接地和電路隔離等幾個(gè)方面，對電力電子設(shè)備電磁干擾控制措施進(jìn)行了分析研究。這些方面的研究可以為艦船電力電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

［1］ 楊繼深．電磁兼容技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

［2］ 宋福根．高頻開關(guān)電源有源EMI濾波器應(yīng)用研究［J］．電工電氣，2009（4）：31－33．

［3］ 王敬斌．開關(guān)電源的電磁干擾及抑制技術(shù)［J］．電子測試，2009（3）：28－31．

［4］ GJB 151A－97，軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求［S］．

［5］ 史廣偉，孫麗萍．電子設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計(jì)及復(fù)合材料屏蔽檢測的應(yīng)用［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33：（3）215－217．

［6］ 吳 昕，錢照明，龐敏熙．開關(guān)電源印刷電路板電磁兼容問題的研究［J］．電子與信息學(xué)報(bào)，2001，23（2）：181－186．

［7］ 梁瑞麟．艦船電子設(shè)備的電磁兼容性技術(shù)實(shí)踐［J］．艦船電子對抗，2004，27（6）：43－46．

［8］ 胡俊達(dá)，楊躍龍．電磁兼容技術(shù)在電子電信設(shè)備中的應(yīng)用［J］．電子質(zhì)量，2004（1）：26－29．

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1008－1542（2011）12－0030－03

2011－06－20；責(zé)任編輯：陳書欣

徐 平（1981－），男，湖北隨州人，工程師，碩士，主要從事電磁兼容性研究檢測、數(shù)字化測試諸方面的研究。