劉素玲

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

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?會導(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)等方面進行嚴(yán)格的電磁兼容設(shè)計。

1 電磁兼容設(shè)計的基本要求

電磁兼容性是電子設(shè)備的主要性能之一,在進行設(shè)備功能設(shè)計的同時,還應(yīng)進行電磁兼容設(shè)計。電磁兼容設(shè)計的目的是使所設(shè)計的設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中實現(xiàn)電磁兼容,因此在進行電磁兼容設(shè)計時應(yīng)滿足以下要求：首先明確設(shè)備所滿足的電磁兼容指標(biāo),然后確定設(shè)備的敏感器件、干擾源及干擾途徑,有針對性地采取措施,最后通過試驗了解設(shè)備是否達(dá)到了電磁兼容指標(biāo)要求。

2 電磁兼容設(shè)計所采取的方法

對于通信車而言,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,進而影響通信質(zhì)量,因此設(shè)備在進行電磁兼容設(shè)計時要從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)換開關(guān)、斷路器、控制保護單元、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)換開關(guān)、斷路器布置于前面板上,控制保護單元、互感器、接觸器等單元及元器件放在機箱內(nèi)部。此設(shè)備要滿足GJB151A-97有關(guān)的電磁兼容指標(biāo)要求,在結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面采取的主要措施有：儀表窗口的屏蔽;機箱縫隙的屏蔽;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

儀表窗口對設(shè)備來說是比較大的泄漏口,必須采取有效的措施將其屏蔽,為此采用加裝絲網(wǎng)屏蔽玻璃的方法對數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表進行外部屏蔽。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,通過螺裝金屬外框?qū)⑺o緊壓在機箱上,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。此車載電子設(shè)備的框架是采用鋁板折彎后對焊而成,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。對于可拆式接縫,如機箱、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,降低了機箱的屏蔽效能,為此采取了2種方法來解決此問題：增加縫隙深度,為了增加縫隙深度,機箱的彎邊寬度取15 mm,重疊尺寸越大,屏蔽效能越好;減小縫隙長度,由于鈑金機箱很難做到接合面處的高精度,為了彌補此缺陷,采用了經(jīng)濟、實用的方法,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)濟又實用地減小干擾程度。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)毛邊通過螺裝金屬外框?qū)⑺蜋C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)的干擾信號被旁路接地。同樣控制保護器也用屏蔽盒對其進行了屏蔽,進一步減小了它對外的輻射能量,從而獲得較好的屏蔽效果。

2.4 電纜選用及敷設(shè)

因為電纜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)備的電磁兼容問題是電纜造成的,解決電纜問題的主要方法之一是對電纜進行屏蔽,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箱360°低阻抗搭接,使屏蔽層與機箱構(gòu)成一個完整的屏蔽體,這樣在一定程度上能夠解決電纜輻射的問題。與此同時,在電裝布線時,要求電源配電線路與其它各類線路保持150mm距離,敏感電路和干擾電路各自單獨敷設(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對本系統(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箱低阻抗接觸,同時要減短電源端口到濾波器的連線,當(dāng)電流進入機箱后,先流經(jīng)濾波器進行濾波,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行屏蔽,這樣外界的電磁干擾不能沿電源線進入設(shè)備,機箱內(nèi)的電磁干擾也無法傳出機箱,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)備的一個很重要的問題,它可以使整個電路系統(tǒng)中所有單元電路的地之間沒有電位差,保證設(shè)備能穩(wěn)定地工作。

此車載設(shè)備的后面板上安裝有接地柱,即機殼地。機殼地可以使由于靜電感應(yīng)而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放,避免由于靜電放電時產(chǎn)生的大電流流進設(shè)備的電路對其造成干擾和危害,合理的接地點對于整個機箱的屏蔽效能十分重要。

3 測試結(jié)果及完善措施

此車載設(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)要求進行測試,發(fā)現(xiàn)除了RE102試驗項目超標(biāo)外,其余各項指標(biāo)均合格。

對RE102試驗項目進行觀察,發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果圖的超標(biāo)點為24 MHz、36 MHz兩點,而這兩點分別是12 MHz頻率點的二三次諧波。為了找到這一頻率點的元器件,對機箱內(nèi)各單元進行了分析,發(fā)現(xiàn)控制保護單元中有一個12MHz晶振,由于晶振屬于高噪聲元器件,能夠產(chǎn)生較強的輻射,從而使其周邊充滿著近場輻射場。如果輻射場內(nèi)有器件或走線,晶振及其諧波信號將耦合到器件或走線上而輻射出去;再者又發(fā)現(xiàn)控制保護單元的PCB板未采取就近接地措施,只是通過一根長引線和機殼地相連,造成信號的環(huán)路面積增大,產(chǎn)生了很強的輻射,所以對控制保護單元采取措施應(yīng)該是行之有效的。首先對晶振進行屏蔽且屏蔽體就近接地,弱化輻射發(fā)射強度;然后控制保護單元的PCB板同樣采取就近接地措施,并且在屏蔽盒出口處的信號線上安裝一個鐵氧體磁環(huán),可以將不需要的高頻干擾抑制掉。通過采取以上措施后,RE102試驗指標(biāo)合格,如圖3所示。

圖3 測試結(jié)果圖

4 結(jié)束語

由上所述可以看出,電磁兼容是一門實踐性很強的綜合性學(xué)科,無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計,還是印制板設(shè)計,都需要采取行之有效的方法。該車載設(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。

[2]鄭軍奇.EMC(電磁兼容)設(shè)計與測試案例分析[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.