王蓉 史忠軍 陳俊偉 孫成 王力

摘要：從電磁兼容試驗CS116鑒定項目的故障現(xiàn)象出發(fā)，對產(chǎn)品功能原理和試驗方法進行模型簡化研究，采用PSPICE軟件建立CS116試驗仿真模型，也出現(xiàn)了故障。通過分析提出的電纜網(wǎng)輸入和輸出端口地線短路2種改進方案，仿真和試驗結(jié)果表明，在電纜網(wǎng)輸入端進行地線短路具有更好的效果。電纜網(wǎng)接地的設(shè)計改進方法，避免了狀態(tài)確定的電路產(chǎn)品進行電路原理和PCB的設(shè)計更改。

關(guān)鍵詞：CS116;電纜網(wǎng);仿真分析

中圖分類號：TP391.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）07-69-6

0引言

當電子產(chǎn)品暴露在核電磁脈沖或雷電等外部環(huán)境時，由于電纜自身和其他相連產(chǎn)品電氣開關(guān)切換等引起的電磁現(xiàn)象，產(chǎn)品內(nèi)部的感應(yīng)電流和電壓波形常常為阻尼正弦波[1]。電磁兼容試驗的CS116試驗?zāi)M該電磁現(xiàn)象，考核軍用設(shè)備和分系統(tǒng)的所有互連電纜和電源線，是大多數(shù)軍用電子產(chǎn)品必須進行的電磁兼容試驗項目，表征電子產(chǎn)品對其輸入輸出端口受到此類電流干擾時的承受能力。在GJB151A/152A-1997中，對空軍設(shè)備或系統(tǒng)要求電子產(chǎn)品在10 kHz～100 MHz之間電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導(dǎo)敏感度應(yīng)能夠承受5 A的能力，而在GJB 151B—2013中提高到10 A[2]，意味著GJB對電子產(chǎn)品在CS116傳導(dǎo)敏感度的承受能力上提出了更嚴格的設(shè)計要求。

成熟產(chǎn)品在CS116項目的鑒定試驗中，輸出遙測信號表明其輸入邏輯信號存在誤觸發(fā)的異常故障，進一步試驗發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品地線上的干擾電壓較大。提高CS116試驗電流干擾能力的主要措施包括電纜屏蔽、互聯(lián)電纜和電源線的濾波、接地或隔離，具體采取哪些措施需要根據(jù)實際產(chǎn)品的設(shè)計情況來決定。根據(jù)本產(chǎn)品基本成熟的現(xiàn)狀，不宜對產(chǎn)品設(shè)計進行改進，只能從接地設(shè)計角度進行改進。為解決這一問題，對產(chǎn)品功能原理和CS116試驗項目的試驗方法進行模型簡化研究，采用PSPICE軟件建立CS116鑒定項目的試驗仿真模型，并復(fù)現(xiàn)了故障。通過對產(chǎn)品電纜網(wǎng)接地設(shè)計的仿真優(yōu)化改進，確定了電纜網(wǎng)接地的設(shè)計改進方法，提升了CS116峰值電流承受能力，達到了預(yù)期要求，避免了已投產(chǎn)的電路產(chǎn)品進行電路原理和PCB設(shè)計的優(yōu)化。

1試驗故障現(xiàn)象

按照GJB151B-2013規(guī)定，CS116試驗連接如圖1所示。圖中，X2為產(chǎn)品電源及總線接口，X1為產(chǎn)品的遙測信號輸出，用于出廠前僅產(chǎn)品性能的測試，產(chǎn)品交付后，X1處于懸空狀態(tài)。根據(jù)電磁兼容試驗僅對接入系統(tǒng)狀態(tài)下的輸入輸出電纜實施干擾的試驗原則，CS116試驗項目僅對X2注入CS116阻尼正弦瞬變干擾信號。

為避免其他干擾的影響，被測產(chǎn)品由直流穩(wěn)壓電源經(jīng)過2個線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）提供。瞬變信號發(fā)生器產(chǎn)生阻尼正弦瞬變干擾信號由注入探頭注入至電源及總線接口電纜中，監(jiān)控探頭采樣，顯示電纜中所接收到的瞬變信號。

試驗中，從遙測信號觀察到產(chǎn)品“開機”的誤觸發(fā)現(xiàn)象。進一步排查發(fā)現(xiàn)，遙測信號中的產(chǎn)品地和外殼地之間，存在較大的干擾沖擊信號，如圖2所示。從圖中可以看出，產(chǎn)品地在CS116試驗中，出現(xiàn)單峰值接近5 V的電壓，該電壓將會使產(chǎn)品內(nèi)部的邏輯器件產(chǎn)生誤動作，出現(xiàn)產(chǎn)品誤開機的現(xiàn)象。

試驗曲線表明，產(chǎn)品在地線連接上存在缺陷，抗外部瞬變信號干擾的能力較弱。考慮到產(chǎn)品是成熟、即將定型的產(chǎn)品，不能對內(nèi)部的走線、濾波及接地進行優(yōu)化，只能對產(chǎn)品電纜網(wǎng)進行相應(yīng)的接地優(yōu)化。通過仔細研究CS116試驗方法，根據(jù)原理抽象、簡化和建立的試驗仿真模型，通過仿真提出和驗證電纜網(wǎng)改進的有效性。

2瞬變干擾信號分析

CS116項目是GJB151B-2013新規(guī)定的電纜和電纜線阻尼正弦瞬態(tài)傳導(dǎo)敏感度，試驗采用瞬變信號發(fā)生器產(chǎn)生阻尼信號，如圖3所示。

試驗時，阻尼正弦瞬變干擾信號是通過電流注入探頭注入，信號頻率分別為0.01 MHz，0.1 MHz，1 MHz，10 MHz，30 MHz，100 MHz，如圖4所示。

圖4中，極限電流模擬和表征外部瞬態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)級試驗期間，產(chǎn)品電纜上所發(fā)現(xiàn)的最大的感應(yīng)電平低于諧振頻率時，耦合量和頻率成正比;曲線的低頻轉(zhuǎn)折點為1 MHz，高頻轉(zhuǎn)折點為30 MHz。典型頻率的電流峰值如表1所示。

3試驗狀態(tài)建模與仿真

如圖6所示，試驗產(chǎn)品由A，B，C，D，E五個接收機組成，每個接收機內(nèi)部電路板數(shù)量也不同。在產(chǎn)品設(shè)計時，為提高產(chǎn)品的測試性，每塊電路板的模擬信號均通過屏蔽線送出，其屏蔽地從該電路板接至產(chǎn)品電纜接口X2。瞬態(tài)信號發(fā)生器產(chǎn)生的阻尼正弦干擾信號從產(chǎn)品電纜注入，地線上出現(xiàn)最大10 A的瞬態(tài)正弦阻尼電流，該電流回流到地，先后經(jīng)過各電路板、各接收機，通過機殼回流到地[4]。

根據(jù)圖6阻尼正弦瞬變干擾的大電流信號電路回路，對所經(jīng)過的電纜地線、電路板地線等進行建模，如圖7所示。

瞬變信號發(fā)生器產(chǎn)生的阻尼正弦瞬變干擾大電流信號通過注入探頭，注入到產(chǎn)品電纜，經(jīng)由端口X2進入產(chǎn)品。產(chǎn)品電路復(fù)雜，準確建立電路模型基本不可能，必須依據(jù)地線受到干擾的現(xiàn)象進行簡化，同時細化主要影響部分的建模，仿真模型建立的具體考慮如下。

①根據(jù)電流路徑，產(chǎn)品內(nèi)部經(jīng)過M1，M2，M3，M4，M5五部分，重點對這5部分建立阻抗模型。

②M1中電纜地線阻抗仿真模型，根據(jù)電纜型號，按照電纜長度、芯線面積等參數(shù)建立電纜的PSPICE仿真模型。

③M2中電路板地阻抗仿真模型，根據(jù)實際產(chǎn)品測試，相關(guān)地引腳與電路板內(nèi)邏輯芯片接地處的對地電阻。

④M3中螺釘接地阻抗仿真模型，根據(jù)接觸電阻（如0.01Ω）進行建模。

⑤M4中機殼接地阻抗仿真模型，根據(jù)機殼接地電纜線電阻、接觸電阻相加進行建模。

⑥M5中產(chǎn)品接地阻抗仿真模型，根據(jù)電纜型號，按照產(chǎn)品接地電纜長度、芯線面積，結(jié)合產(chǎn)品接地電阻測試二者結(jié)合確定電阻參數(shù)，確定模型的參數(shù)。

采用簡單的2個非門替代復(fù)雜的DSP和FPGA邏輯功能，作為邏輯輸入的觀測。按照圖7在PSPICE中建立仿真模型[5]，設(shè)置仿真時間100μs，簡單邏輯輸入（B點）和輸出（E點）的仿真結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，B點仿真波形阻尼正弦波形的幅度約為5 V，因此，可以驅(qū)動簡單邏輯電路形成邏輯“0”的階躍，出現(xiàn)6次產(chǎn)品邏輯混亂。仿真結(jié)果與故障現(xiàn)象在最大值的包絡(luò)方面一致，也出現(xiàn)了多次非正常地邏輯變化，可以用來進行故障的分析和排查定位。

4電纜網(wǎng)改進與仿真

故障問題分析表明，B點波形因電纜、電路板、螺釘及外殼等接地電阻不可忽略，導(dǎo)致原本是地的電路節(jié)點上出現(xiàn)阻尼正弦波形。解決該問題最徹底的方法是從電路原理和PCB布局角度，增加磁珠、電感，對地線進行隔離;合理分配電容的容值，增加各頻段的濾波能力等[6]。但在產(chǎn)品原理圖、PCB難于更改的狀態(tài)下，解決該問題，宜用產(chǎn)品電纜網(wǎng)的設(shè)計改進和優(yōu)化。

仔細分析產(chǎn)品電纜網(wǎng)連接狀態(tài)，主要有2種改進方式：電纜網(wǎng)輸出端口用電纜互聯(lián)，即圖7中A1～A12的電路節(jié)點之間互聯(lián);電纜網(wǎng)輸入端口用電纜互聯(lián)，即圖7中IN1～IN12的電路節(jié)點之間互聯(lián)。2種方法的有效性，可以通過建立產(chǎn)品的簡化仿真模型，對仿真結(jié)果進行對比。

4.1電纜網(wǎng)輸出端口接地短路仿真

在圖7中，按照A1～A12的電路節(jié)點增加短路線進行建模，同時按照傳輸線，考慮短路線的阻抗，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，在電纜網(wǎng)輸出端口短路后，簡單邏輯輸入電路節(jié)點（B點）干擾信號的最大單峰電壓值仍然有2.8 V左右，簡單邏輯輸出電路節(jié)點（E點）仍然存在2次邏輯混亂。

4.2電纜網(wǎng)輸入端口接地短路仿真

在圖7中，按照IN1～IN12的電路節(jié)點增加短路線進行建模，同時考慮短路線的阻抗，仿真結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，在電纜網(wǎng)輸出端口短路后，簡單邏輯輸入電路節(jié)點（B點）信號僅有1.2 V左右，簡單邏輯輸出電路節(jié)點（E點）已經(jīng)不存在邏輯混亂。

5產(chǎn)品改進與試驗驗證

上述仿真結(jié)果表明，電纜網(wǎng)輸入端口短路將對干擾信號具有更強的濾波能力。從最小更改的原則出發(fā)，解決問題的措施如下：首先，在電纜網(wǎng)輸入端口進行接地短路;如果不能通過CS116試驗，在電纜網(wǎng)輸入、輸出端口同時進行接地短路;如果仍然不能解決問題，則只能從電路原理圖和PCB的角度重新進行優(yōu)化設(shè)計。

電纜網(wǎng)輸入端口短路方案的電纜網(wǎng)設(shè)計如圖11所示。12根地線在完成互聯(lián)后，為提高可靠性采用2個“焊片”分別從接地的兩端引出，固定連接到框架上通過螺釘擰緊接地。

采用電纜網(wǎng)輸入端口短路的方法改進電纜網(wǎng)，進行產(chǎn)品的裝配和CS116項目試驗，未觀測到產(chǎn)品“開機”誤觸發(fā)的現(xiàn)象。試驗過程中，遙測信號中產(chǎn)品地與外殼地之間的干擾電壓波形，如圖12所示。與圖2對比，可以發(fā)現(xiàn)電纜網(wǎng)在輸入端口短路的方法，將原本5 V的單峰值干擾沖擊減小到單峰值1.2 V左右，從而避免了“開機”信號被誤觸發(fā)。

6結(jié)束語

本文從CS116試驗的故障現(xiàn)象出發(fā)，對產(chǎn)品進行接地分析，建立仿真模型，復(fù)現(xiàn)了試驗故障，并根據(jù)電纜網(wǎng)輸出端口地線短路、輸入端口地線短路的2種改進方案，建立仿真模型，對仿真結(jié)果進行優(yōu)選，采用電纜網(wǎng)輸入端口短路的方案進行產(chǎn)品電纜網(wǎng)的設(shè)計改進。結(jié)果表明，該方案可有效解決故障現(xiàn)象，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。在實際產(chǎn)品設(shè)計中，如果產(chǎn)品實際接地較好，可以選擇電纜網(wǎng)輸出端口地線短路;如果產(chǎn)品實際接地更差，可以同時采用電纜網(wǎng)輸入、輸出端口地線同時短路的方案，以達到更好的抗電磁干擾的能力。

參考文獻

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