淺析艦船電磁兼容中的接地設計方法

中國船舶重工集團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計方法

中國船舶重工集團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、濾波器接地及機殼地的設計方法，通過兩個案例的分析及整改，進一步說明了接地方式及方法的重要性。

【關鍵詞】電磁兼容；接地；干擾

1　引言

隨著艦船自動化程度的提高，船用電子設備的種類、數(shù)量不斷增加，運行速度不斷提高，導致艦船電磁輻射及干擾問題越來越嚴重。一方面，電子設備自身產生電磁場輻射，并通過電纜耦合到外部，且設備艙空間狹小，使設備工作的電磁場環(huán)境更加惡劣。另一方面，電子設備在這樣復雜的電磁環(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，電磁兼容性能已經成為艦船電子設備必須滿足的質量要求。

在電子設備中，電磁干擾是肯定存在的，要提高設備的電磁兼容性能，就需要對整個電路進行設計，使干擾被吸收或流過路徑最短。

系統(tǒng)中的“地”為電子設備提供統(tǒng)一的電位參考點，以保證信號的正確傳輸。理想的“地”是零電阻的導體，電流流過地線以形成回路，而不會產生壓降。在實際應用中，地線不可能沒有阻抗，作為電流路徑，也是外部干擾進入設備和內部干擾傳導出設備的路徑。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　接地設計

系統(tǒng)包含各種類型的電路和電器件，地線相應地分為數(shù)字地、模擬地、交流地、直流地、機殼地等。針對不同的電路特性，對系統(tǒng)進行地線劃分，理清地電流的實際路徑，設計合理的接地點和接地方式，避免引起相互干擾。

2.1電路接地設計

一般情況下，高頻電路（＞10MHz）應就近多點接地，使接地線的長度最短。因為在高頻時，地線上具有電感因而增加了地線阻抗，會產生較大的共模電壓，同時各地線之間又產生電感耦合。為了降低地線阻抗，應采用多點接地。

低頻電路（＜1MHz）應單點接地。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，將每一個電路都直接接到同一個單點地，消除地回路。

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

電路應區(qū)分數(shù)字地、模擬地、電源地等不同的地線，劃分不同的地平面，各個地平面在適當?shù)奈恢猛ㄟ^一點短接起來。該點短接可通過磁珠或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屏蔽層接地設計

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，屏蔽層應于源端實行單點接地，源端未接地，則在信號接收端實行單點接地，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線的容性耦合最小。

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

屏蔽層一般連接到連接器外殼，進而通過金屬機箱連接到大地，不進入機箱內部。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，但在連接處會產生電磁泄漏和阻抗不匹配。

2.3濾波器接地設計

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機殼地設計

一般設備的金屬外殼被當作機殼地，并通過一點接大地。機殼地到大地的連接采用短而寬的導體以提供低阻抗的電流路徑。機殼地將設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。當外界干擾作用到系統(tǒng)設備時，金屬外殼將干擾引導到大地，保證設備內部電路不受外界干擾的影響。

機殼地與電路地不能直接連接，否則外部干擾可能通過機殼地被引入電路，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誤傳輸。機殼地與電路地可采用低容值的電容連接。

機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

對某機箱的DC24V和AC220V電源線進行電磁兼容CE102項測試。DC24V電源線從300kHz開始至10MHz都有嚴重超標，多個頻點超標達20dB以上； AC220V電源線在2MHz以后上升，離標準線很近。

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

機箱內AC220V電源線的走線順序是連接器-開關-保險絲-濾波器，電源線在機箱內繞了一大圈后才進入濾波器，且對線纜未采取屏蔽措施，電路板上產生的干擾直接耦合到電源輸入線上，傳導到機箱外部，造成電磁發(fā)射超標。改變電源線的走線順序為連接器-濾波器-開關-保險絲，同時電源輸入線改為屏蔽纜（一端連接到機殼），將機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，比標準線低約20dB。

3.2RE102測試

對機柜進行電磁兼容RE102項測試，機柜內安裝有百兆網(wǎng)絡交換機和無線數(shù)傳分機。測試在約187MHz超標準約5dB，每隔12.5MHz有一個波峰。

用近場探頭通過頻譜分析儀觀察，是機柜內網(wǎng)絡交換分機內部輻射所致。打開網(wǎng)絡交換分機，發(fā)現(xiàn)分機內信號地與AC220V電源線捆扎在一起平行走線。電路內部處理器的時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，通過電源線纜進行傳導發(fā)射。

在分機內“信號地”線上加磁環(huán)，抑制高頻干擾信號的通過，同時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)絡交換分機到柜頂?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)機柜無線數(shù)傳分機的AC220V輸出輻射較大，打開無線數(shù)傳分機發(fā)現(xiàn)網(wǎng)線與AC220V輸出綁在一起走線，將AC220V輸出單獨走線，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，電場輻射在標準范圍內。

4　結束語

接地是電子設備最基本也是最重要的連接，接地連接的好壞，將影響設備性能的穩(wěn)定性，更嚴重地將影響設備功能的實現(xiàn)。接地不僅僅是簡單的將地線連接在一起，接地設計需要遵循兩個原則：（1）使電流環(huán)路面積盡量小；（2）地線阻抗盡量小。將這兩個原則聯(lián)系具體的電路和設備特性，對系統(tǒng)進行良好的接地設計，可以解決電磁兼容中的大部分問題。

參考文獻

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

［2］朱文立.電磁兼容設計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，劉以農等.分層與綜合設計法—電磁兼容設計的新方法［A］.第十四屆全國電磁兼容學術會議論文集，2004.