劉尚峰

（北京鐵路信號(hào)有限公司，北京 102613）

1 概述

隨著用戶需求的增加，鐵路信號(hào)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越來越多，多種設(shè)備集成到一套產(chǎn)品中也成為了廠家的賣點(diǎn)，正因如此，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)外的電磁環(huán)境日趨惡化，所以電磁兼容性能是鐵路信號(hào)設(shè)備設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問題。

電磁兼容（EMC）是指設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)（EMI）及其抵抗電磁干擾（EMS）的能力，它是衡量設(shè)備質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。EMC的設(shè)計(jì)規(guī)則就像交通規(guī)則一樣。盡管不遵守交通法規(guī)可能不會(huì)導(dǎo)致交通事故，但風(fēng)險(xiǎn)將不可避免地增加。EMC設(shè)計(jì)也是如此，不遵守規(guī)則可能會(huì)通過測試，但是如果不遵守這些規(guī)則，失敗的風(fēng)險(xiǎn)也將不可避免地增加。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中引入風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)是非常有必要的。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與EMC

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式

良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是解決EMC問題的關(guān)鍵手段，在進(jìn)行產(chǎn)品電磁兼容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前除了要充分考慮設(shè)備要面臨的電磁干擾源和電磁干擾途徑外，還要同時(shí)分析電磁屏蔽的措施，通過屏蔽材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局等措施最大限度降低外部的電磁干擾和內(nèi)部的輻射發(fā)射量。設(shè)備中結(jié)構(gòu)屏蔽設(shè)計(jì)如下。

1）屏蔽設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電氣連續(xù)性，具有全封閉的金屬殼體是最優(yōu)化連續(xù)性的屏蔽體。但是在實(shí)際應(yīng)用中這一點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)，通常會(huì)存在出線孔、散熱孔等，因此如何合理地設(shè)計(jì)散熱孔、出線孔也是屏蔽設(shè)計(jì)的一大要點(diǎn)。屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量保持簡潔，除去必要的通風(fēng)孔外，避免不必要的其他孔洞和額外的縫隙。通風(fēng)孔采用圓孔并陣列排放設(shè)計(jì)，避免開細(xì)長孔。

2）屏蔽件對(duì)內(nèi)部電磁波和外部的干擾電磁波均能起到吸收能量、抵消能量和反射能量的作用，因此屏蔽體具有降低干擾的功能。通常采用屏蔽件將設(shè)備、線纜乃至整個(gè)系統(tǒng)包圍起來，以盡量隔絕設(shè)備內(nèi)外的電磁干擾信號(hào)。

3）為了減少縫隙的輻射泄漏，需使用屏蔽材料對(duì)組匣、單板、機(jī)柜結(jié)構(gòu)件的縫隙處進(jìn)行屏蔽，較為常用的屏蔽材料是指形彈簧或金屬屏蔽條等，用來處理縫隙。其中連接器的電纜也應(yīng)采用帶有屏蔽的連接器，以更好地對(duì)機(jī)箱進(jìn)行屏蔽。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例

1）問題描述

在對(duì)某產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，輻射值超過限定值導(dǎo)致測試不通過。

2）問題排查

檢查柜內(nèi)設(shè)備、線纜接地是否可靠，將設(shè)備接地線調(diào)整至最短；

重新整理產(chǎn)品柜內(nèi)、柜外線纜走線，將電源線、信號(hào)線、地線盡量拉開距離；

在完成以上整改后重新進(jìn)行試驗(yàn)，輻射值雖然有所降低但依然未通過試驗(yàn)。隨后分別在機(jī)柜柜門打開和關(guān)閉的情況下進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果輻射值基本一致，可以確定機(jī)柜結(jié)構(gòu)未起到屏蔽效果。為使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更為美觀，機(jī)柜的主體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)件均噴涂了顏色為428C的絕緣漆，導(dǎo)致機(jī)柜結(jié)構(gòu)屏蔽效果較差、輻射泄漏較多。機(jī)柜結(jié)構(gòu)噴漆設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 噴漆結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of painting structure

3）解決方案

將機(jī)柜的主體結(jié)構(gòu)和大部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)件由普通噴漆鋼板改為鍍鋁鋅板如圖2所示，雖然此方案成本較高，但能夠大幅提高產(chǎn)品的屏蔽性能。隨后在新柜體基礎(chǔ)上進(jìn)行裝配，重新進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)，最終輻射值低于限定值，通過了輻射發(fā)射試驗(yàn)。

圖2 鍍鋁鋅板示意Fig.2 Schematic diagram of aluminized zinc plate

2.2 線纜設(shè)計(jì)與EMC

2.2.1 線纜設(shè)計(jì)方式

線纜是產(chǎn)品中必不可少的組成部分，每個(gè)產(chǎn)品都少不了線纜，然而產(chǎn)品的孔縫會(huì)影響系統(tǒng)的屏蔽性能，因此如何降低孔縫泄漏的干擾是線纜設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在設(shè)備工作時(shí)線纜會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，主要是線纜與設(shè)備的連接處容易出現(xiàn)電磁泄漏，所以此處也是需要重點(diǎn)關(guān)注的地方。產(chǎn)品在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電磁發(fā)射比較強(qiáng)的設(shè)備信號(hào)線纜要進(jìn)行特殊處理，如RS-422、CAN通信、網(wǎng)絡(luò)通信等。線纜最好采用雙絞屏蔽線，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用屏蔽處理，以保證產(chǎn)品外殼的導(dǎo)電連續(xù)性，提高整個(gè)系統(tǒng)的屏蔽性能。提升線纜的電磁兼容效果主要有以下幾種方式。

1）通過屏蔽連接器轉(zhuǎn)接，該方式的屏蔽效果主要取決于插頭的屏蔽效果，為了增強(qiáng)線纜的屏蔽效果，需配合使用屏蔽線纜并將線纜屏蔽層與插頭銜接處進(jìn)行可靠連接。在系統(tǒng)外應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量多點(diǎn)接地，以減小不必要的電磁耦合和串?dāng)_的不良影響。

2）信號(hào)線纜接地，選用屏蔽電纜線，為確保更好的電磁屏蔽效果，屏蔽網(wǎng)編織覆蓋率應(yīng)盡量大，線纜屏蔽層盡量采用360°可靠環(huán)接的接地方式。

3）在電路中安裝濾波器，即電源電路中串接電源濾波器，信號(hào)線采用信號(hào)線濾波器進(jìn)行連接。此種方式不僅可以濾波，又可達(dá)到屏蔽效果。安裝濾波器時(shí)需要將濾波器外殼緊緊的與設(shè)備外殼連接在一起，此舉可以增加濾波效果。若線纜較多時(shí)，此方式成本會(huì)比較高。

2.2.2 線纜設(shè)計(jì)案例

1）問題描述

在對(duì)某產(chǎn)品的輸入線纜進(jìn)行電快速脈沖群測試時(shí)，出現(xiàn)了設(shè)備對(duì)信號(hào)的誤采現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)不通過。

2）問題排查

對(duì)輸入線纜重新進(jìn)行接地調(diào)整，保證其屏蔽層接地面積盡量充分；

整理輸入線纜走線，保證輸入線纜與其他線纜盡量空間隔離；

在完成以上整改后重新進(jìn)行試驗(yàn)，但是誤采現(xiàn)象依然存在。隨后將輸入線纜屏蔽層與其他線纜屏蔽層進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其屏蔽層密度較為稀疏，如圖3所示。

圖3 低密度屏蔽層線纜Fig.3 Low density shield cable

3）解決方案

如圖4所示，將原屏蔽層密度為40%的線纜更換為屏蔽層密度為75%的線纜重新進(jìn)行試驗(yàn)，誤采現(xiàn)象消失，最終通過試驗(yàn)。

圖4 高密度屏蔽層線纜Fig.4 High density shield cable

2.3 裝配設(shè)計(jì)與EMC

2.3.1 裝配設(shè)計(jì)方式

對(duì)于產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)，設(shè)備的裝配也是重點(diǎn)之一。在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備的布局也要依據(jù)一定原則，將較重的設(shè)備放置于機(jī)柜的下方，如UPS、工控機(jī)、電源模塊等設(shè)備，將重量較輕的設(shè)備放置在機(jī)柜的上方，如板卡、顯示器、交換機(jī)等設(shè)備。電磁發(fā)射較強(qiáng)的設(shè)備應(yīng)布局在離地比較近的位置，如圖5所示。

圖5 機(jī)柜布置示意Fig.5 Cabinet layout

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，設(shè)備的種類、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、安裝位置都已經(jīng)固定。但配線沒有固定，線纜可以走左邊線槽，也可以走右邊的線槽，從不同路徑走線，相應(yīng)的抗干擾性是不一樣的。系統(tǒng)設(shè)備的配線一般分為電源線、信號(hào)線和地線，每種線纜在空間上應(yīng)拉開距離，避免對(duì)線纜交叉耦合。電源線一般從機(jī)柜的后視左側(cè)進(jìn)入機(jī)柜，經(jīng)過浪涌保護(hù)、濾波后為設(shè)備供電。經(jīng)浪涌保護(hù)、濾波隔離前的電源線嚴(yán)禁與濾波、防雷隔離后的電源線交叉、綁扎在一起。對(duì)于浪涌保護(hù)器的使用原則為在系統(tǒng)的入口處安裝，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。其中浪涌保護(hù)器的接地宜采用較粗的導(dǎo)線（建議截面積為4 mm2以上），并直接連至接地銅排，如圖6所示。

圖6 電源端子排布置示意Fig.6 Power terminal block layout

2.3.2 裝配設(shè)計(jì)案例

1）問題描述

在對(duì)某產(chǎn)品進(jìn)行輻射發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，輻射值超過限定值，導(dǎo)致測試不通過。

2）問題排查

檢查柜內(nèi)設(shè)備、線纜接地是否可靠，將設(shè)備接地線調(diào)整至最短后重新進(jìn)行測試，但是輻射值降低有限，試驗(yàn)依然未通過；

檢查產(chǎn)品柜內(nèi)、柜外線纜走線，發(fā)現(xiàn)機(jī)柜風(fēng)扇安裝在機(jī)柜頂部，而其電源線則連接至最下方的電源端子排。電源線從最底部到最頂部貫穿整個(gè)機(jī)柜，其間與通信信號(hào)線綁扎在一起，如圖7所示。違背了電源線與通信信號(hào)線分開走線的原則，線纜集中綁扎的方式易造成線間耦合，出現(xiàn)輻射值超標(biāo)的現(xiàn)象。

圖7 線纜集中綁扎示意Fig.7 Schematic diagram of cable concentrated binding

3）解決方案

如圖8所示，對(duì)線纜布置進(jìn)行整改，將信號(hào)線與電源線空間上進(jìn)行隔離、分開綁扎，隨后重新進(jìn)行測試，最終輻射值達(dá)標(biāo)，通過試驗(yàn)。

圖8 線纜單獨(dú)綁扎示意Fig.8 Schematic diagram of cable separated binding

2.4 接地設(shè)計(jì)與EMC

2.4.1 接地設(shè)計(jì)方式

良好的接地設(shè)計(jì)是解決EMC問題最便宜、最有效的方法。接地原則是路徑短、導(dǎo)電面積大，接地設(shè)計(jì)不僅可以提高抗干擾度,還能降低電磁發(fā)射。接地在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)復(fù)雜，從電路參考點(diǎn)的角度來看，接地可以分為浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。

1）浮地是將電路或設(shè)備與可能引起環(huán)流的公共接地或公共導(dǎo)線隔離，使設(shè)備的接地系統(tǒng)與殼體結(jié)構(gòu)電氣絕緣。其優(yōu)點(diǎn)是電路不受大地電氣特性的影響。浮地會(huì)使電源接地（強(qiáng)電接地）和信號(hào)接地（弱電接地）之間的隔離電阻非常大，可以避免電磁干擾從接地電路耦合至設(shè)備中。浮地的缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生靜電積聚和靜電放電,在雷電環(huán)境下，可能會(huì)在單元電路和機(jī)箱間產(chǎn)生飛弧,甚至使操作人員造成電擊。為避免此問題，需要在浮地設(shè)備和地間接入大電阻進(jìn)行放電。當(dāng)設(shè)備采用浮地設(shè)計(jì)時(shí)，如果電網(wǎng)相線和機(jī)箱短路，則有觸電的危險(xiǎn)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，除非是大地或系統(tǒng)附近有強(qiáng)干擾電流或是系統(tǒng)無法接地，通常不采用浮地方式。

2）單點(diǎn)接地是指在一個(gè)電路中僅存在一點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，而所有需要接地的設(shè)備都通過該點(diǎn)接地。其優(yōu)點(diǎn)是接地不易產(chǎn)生回路。產(chǎn)品是否采用單點(diǎn)接地，主要由系統(tǒng)工作的信號(hào)頻率以及地線長度決定，即L/λ，公式為L/λ=L×f/c，L代表地線長度/m；λ代表信號(hào)波長/m，c代表電磁場的傳播速度/（m/s），f代表設(shè)備的工作頻率/Hz；當(dāng)L/λ≤0.1時(shí)，宜采用單點(diǎn)接地。所以，低頻設(shè)備適用單點(diǎn)接地，應(yīng)用頻率通常在300 kHz以內(nèi)。

3）多點(diǎn)接地是指產(chǎn)品中每個(gè)設(shè)備都直接與大地連接，此方法為所有設(shè)備均直接提供了一條低阻抗路徑。系統(tǒng)中的每個(gè)接地點(diǎn)都需要連接到最靠近它的大地，以使接地線的長度最短。因?yàn)榻拥貙?dǎo)線的電感與頻率和長度成正比，因此在工作頻率較高時(shí)，公共接地阻抗會(huì)增加，從而增加了由接地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線長度盡可能短。一般來說，當(dāng)電路的工作頻率高于10 MHz時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)接地。

4）混合接地是單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地的結(jié)合。如果電路工作的頻帶較寬，則低頻設(shè)備需采用單點(diǎn)接地，而高頻設(shè)備需要進(jìn)行多點(diǎn)接地，所以此時(shí)最適宜采取混合的方式。在復(fù)雜的系統(tǒng)中，簡單的接地方式已經(jīng)不能滿足電磁兼容的需要。所以，產(chǎn)品應(yīng)用中混合接地更為普遍?；旌辖拥氐膽?yīng)用頻率在50 kHz ～ 10 MHz 范圍內(nèi)。

2.4.2 接地設(shè)計(jì)案例

1）問題描述

在對(duì)某產(chǎn)品電源端口進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測試時(shí)，由于測試值超過限定值導(dǎo)致測試不通過。

2）問題排查

整理該電源端口電源線，盡量將濾波前和濾波后的電源線拉開距離，整改后測試值雖有好轉(zhuǎn)但并未通過試驗(yàn)；

更換該電源端口的濾波器重新進(jìn)行測試，測試值基本與更換前一致；

檢查濾波器接地，發(fā)現(xiàn)濾波器接地并不可靠，濾波器外殼并未與機(jī)柜結(jié)構(gòu)完全搭接，如圖9所示，導(dǎo)致輻射不能有效瀉放。

圖9 改造前示意Fig.9 Schematic before modification

3）解決方案

更改濾波器安裝方式：截?cái)鄬?dǎo)軌，將濾波器直接安裝在端子安裝板上，如圖10所示，使濾波器與屏蔽安裝板充分接觸，擴(kuò)充瀉放通道。隨后重新進(jìn)行試驗(yàn)，最終輻射值符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 改造后示意Fig.10 Schematic after modification

3 結(jié)語

在自然界中，EMI無所不在，無論采取什么措施，都無法完全消除EMI的影響。只能通過全面考慮各種限制因素，并將其對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的影響降至最低。