BSS-3衛(wèi)星同步時鐘裝置電磁兼容優(yōu)化設(shè)計

張子皿，袁平路

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

準確的時間基準是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要保證，北京中水科水電科技開發(fā)有限公司監(jiān)控系統(tǒng)事業(yè)部自主研發(fā)的BSS-3系列衛(wèi)星同步時鐘在水電站已有多年的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，在水利行業(yè)有良好的口碑，系列定型的模塊包括：脈沖空接點對時模塊，IRIG-B 碼對時模塊，串口對時模塊，PTP對時模塊，恒溫守時模塊，NTP時間服務(wù)器模塊。為了提高BSS-3系列衛(wèi)星同步時鐘的電磁兼容性能，對時鐘電路板卡的設(shè)計進行了改造升級，優(yōu)化設(shè)計后電路板卡的電磁兼容性得到明顯提高，時鐘系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。

1 BSS-3系列衛(wèi)星同步時鐘裝置介紹

BSS-3系列衛(wèi)星同步時鐘是采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行標準時間發(fā)送的裝置。目前通常采用北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)。北斗授時時鐘基于我國的“北斗二號”系統(tǒng)，可實現(xiàn)高精度的授時功能，時間精度優(yōu)于50 ns。GPS時鐘基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)GPS衛(wèi)星信號接收器在收到并鎖定至少4顆衛(wèi)星之后，衛(wèi)星接收器解算設(shè)備所處的地理位置和標準時間，其授時精度可以達到20 ns以內(nèi)。目前，大型水電廠通常要求北斗、GPS雙衛(wèi)星接收系統(tǒng)，而且北斗信號優(yōu)先，為全廠各系統(tǒng)提供高精度的時間基準。

時鐘裝置由標準機箱、電源模塊、接收天線、衛(wèi)星信號接收模塊、對時信號輸出模塊等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 時鐘裝置結(jié)構(gòu)圖

目前水電廠對時系統(tǒng)主流的衛(wèi)星時鐘對時方案設(shè)計都是采用一套主時鐘系統(tǒng)或兩套熱備的主時鐘，例如北斗+GPS雙信號接收作為主時鐘，根據(jù)設(shè)備的分布位置和數(shù)量，配置多臺二級時鐘裝置組成水電廠全廠統(tǒng)一授時系統(tǒng)，完成全廠各系統(tǒng)的對時任務(wù)。衛(wèi)星同步時鐘具有高精度守時模塊，當(dāng)衛(wèi)星信號不好或收不到衛(wèi)星信號時，仍可保證高質(zhì)量的對時信號輸出。

2 衛(wèi)星時鐘電磁兼容優(yōu)化設(shè)計

在電子裝置中，電子干擾現(xiàn)象是普遍存在的，例如通過共電源地產(chǎn)生的共地阻抗干擾，通過電感或電容產(chǎn)生的耦合干擾，還有高頻電子元件產(chǎn)生的輻射干擾等。為了解決裝置的電磁干擾問題，對衛(wèi)星時鐘母板、脈沖板、B碼485板、PTP板進行電路改造升級，將各板卡電磁兼容性（EMC）從2級提高到4級標準[1]，具體電路設(shè)計如下。

2.1 電路設(shè)計

電源模塊的輸出電壓為DC 5 V，但是在系統(tǒng)中，單片機CPU的工作電壓為3.3 V，衛(wèi)星接收模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊的工作電壓為3.0～5.0 V，這幾個模塊的電壓各不相同，為了減少公共電源及公共阻抗的耦合，提高電源的可靠性和抗干擾性，保證各部分正常工作[2，3]，電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 減少電容耦合示意圖

在充分考慮電磁兼容和性能的情況下，將主CPU升級，主頻從1 MHz提高到72 MHz，時鐘同步裝置的進出線也增加了防浪涌護設(shè)計。電源端增加TVS管（電源口首次測試未表現(xiàn)出故障，不過為了增強電源端口的抗干擾性能，也增加了必要的防護）和防倒插二極管（防止正負極接反造成的無法正常工作）。改進后的電路如圖3所示。

圖3 增加防護后的電源入口電路

信號端增加TVS管，在信號總線通道中增加自恢復(fù)保險絲和限流二極管以提高系統(tǒng)可靠性。改進后的電路如圖4所示。

圖4 增加防護后的信號入口電路

2.2 電磁兼容設(shè)計

本裝置采用4層電路板，通過設(shè)置專用電源層和接地層為系統(tǒng)提供了最短的回流路線以此來抑制共模干擾，并增加了對地放電電容，信號端進行了光電隔離處理?？紤]到模塊在進行數(shù)據(jù)通信時，消耗功率較大，為了降低其對周圍器件的電磁干擾，將之放在電路板邊緣處，而且在其周圍盡量少放敏感元件。盡量降低接地的阻抗，通過適度加寬地線的寬度可以進一步減小接地阻抗，并把數(shù)字部分電路的去耦電容、電感和模擬部分電路的去耦電容、電感分開一定距離布置[4]。

3 試驗測試情況

衛(wèi)星時鐘同步裝置的EMC試驗檢測是委托中國電力科學(xué)研究院進行的，具有國家認可的檢測資質(zhì)。

衛(wèi)星時鐘同步裝置通過了電磁兼容性能檢測、振蕩波抗擾度檢測（3～4級）、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測（4級）、工頻磁場抗擾度檢測（5級）、脈沖磁場抗擾度檢測（5級）、阻尼振蕩磁場抗擾度檢測（5級）、射頻電磁場輻射抗擾度檢測（3級），其中檢測電壓等級±0.5～6 kV，輻射干擾30 MHz～1 GHz，傳導(dǎo)干擾140 kHz～40 MHz，試驗結(jié)果滿足電磁兼容EMC判據(jù)3～5級要求，等級可達ClassA。

4 結(jié)論

本項目分析了BSS-3系列衛(wèi)星同步時鐘系統(tǒng)結(jié)合造成電磁干擾的因素，對BSS-3系列衛(wèi)星同步時鐘提出了整體的優(yōu)化設(shè)計方案，給出了關(guān)鍵環(huán)節(jié)的電路設(shè)計和電路板抗干擾設(shè)計，時鐘裝置優(yōu)化設(shè)計后，板卡電路工作更加穩(wěn)定，生產(chǎn)成本得到了降低，更加符合規(guī)?；a(chǎn)的要求。