北京連山科技股份有限公司 姜艷龍

北京郵電大學(xué) 李 鶴

基于電磁兼容的基本概念，結(jié)合某車載調(diào)度終端的研制經(jīng)驗(yàn)，本文介紹了器件選型，PCB布局，PCB布線，接地設(shè)計(jì)，濾波，屏蔽以及接口保護(hù)等電磁兼容設(shè)計(jì)方法；根據(jù)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，分析原因并給出解決措施。

電磁兼容（EMC）是指電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)期的電磁環(huán)境中，按設(shè)計(jì)要求正常工作的能力。電磁兼容一般包括電磁干擾和電磁抗擾。軍用車載設(shè)備要遵循GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)設(shè)備的限值要求。

隨著現(xiàn)代軍事技術(shù)的需求，軍用電子設(shè)備的構(gòu)成已向綜合化、小型化、模塊化和通用化方向發(fā)展，軍用電子設(shè)備的組成越來(lái)越復(fù)雜、功能構(gòu)成也越來(lái)越強(qiáng)大。軍用車載電子設(shè)備安裝環(huán)境復(fù)雜，安裝車型及方艙種類眾多。

車載設(shè)備所面臨的電磁環(huán)境愈加復(fù)雜，設(shè)備之間的兼容性問(wèn)題愈加突出，設(shè)備外形小、重量輕、功耗低的需求愈發(fā)迫切；根據(jù)機(jī)要及數(shù)據(jù)安全的要求，軍用設(shè)備需集成必要的相關(guān)模塊；這些因素都為車載設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合某車載調(diào)度終端的研制經(jīng)驗(yàn)，從器件選型，印制電路板（PCB）布局布線，接地，濾波，屏蔽及接口保護(hù)等方面提出電磁兼容設(shè)計(jì)方案，對(duì)測(cè)試中遇到的典型問(wèn)題，分析原因并提出改進(jìn)方法。

1 車載調(diào)度終端及安裝環(huán)境

車載調(diào)度終端基于專網(wǎng)，解決車隊(duì)行進(jìn)中的調(diào)度及數(shù)據(jù)通信需求。終端由三部分組成：主機(jī)，手柄和天線單元，如圖1所示。主機(jī)在較小的空間內(nèi)提供了多個(gè)處理模塊（包括機(jī)要模塊接口，業(yè)務(wù)處理模塊，通信處理模塊以及數(shù)據(jù)安全處理模塊），提供通信，數(shù)據(jù)安全和語(yǔ)音業(yè)務(wù)功能；手柄包含鍵盤和麥克，為業(yè)務(wù)提供輸入功能；天線單元通過(guò)饋線和主機(jī)互聯(lián)，由多個(gè)寬頻天線構(gòu)成。為解決方艙內(nèi)通信問(wèn)題，主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)線與其他車載設(shè)備互聯(lián)。

圖1 車載調(diào)度終端組成圖

車載調(diào)度終端EMC設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于主機(jī)包含多個(gè)處理模塊，處理器頻率較高；尺寸和重量都有要求；前面板需安裝大尺寸顯示屏和喇叭；手柄鍵盤要求多功能鍵輸入；設(shè)備連線多，包括電源線，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線，手柄互連線以及射頻線。

主機(jī)安裝在駕駛艙或方艙內(nèi)，天線一般安裝在車頂。

2 EMC設(shè)計(jì)方案

EMC設(shè)計(jì)中的三要素是：干擾源，受感器以及兩者之間的耦合通道。EMC設(shè)計(jì)的目的就是減少干擾的產(chǎn)生，減弱接收的干擾以及切斷耦合通道。

2.1 元器件選型

去耦電容使用等效串聯(lián)電感（ESL）小的多層陶瓷電容；對(duì)輻射較大的器件和模塊，選擇帶屏蔽外殼；使用共模濾波器、磁珠、電容，對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波；選用合適的瞬時(shí)電壓抑制（TVS）管以及空氣放電管對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行靜電釋放（ESD）及過(guò)壓保護(hù)。

2.2 PCB布局

電源濾波器要單獨(dú)放置，串接在電源的輸入進(jìn)線和隔離電源模塊之間，模塊之間的距離不宜過(guò)長(zhǎng)；去耦電容盡量靠近電源管腳；保護(hù)電路放置在連接器附近；濾波器放置在連接器附近；晶體/晶振放置盡量靠近芯片；易受干擾的元器件、輸入和輸出連接器盡量遠(yuǎn)離噪聲源；器件放置距離板邊要有一定的距離；連接器放置合理，使設(shè)備內(nèi)部走線盡量短。

2.3 PCB布線

PCB的疊層要選擇緊耦合；單端及差分布線按設(shè)計(jì)阻抗布線；布線換層時(shí)需要考慮回路；相鄰內(nèi)層布線要相互垂直，避免耦合；單端線之間，差分線之間設(shè)置合適的間隔，避免信號(hào)間較大的串?dāng)_；對(duì)敏感信號(hào)線或噪聲信號(hào)增加地隔離；布線距離板邊要有一定的距離；保護(hù)器件的連線ESL盡量小，使保護(hù)器件能正常動(dòng)作。

2.4 地設(shè)計(jì)

地是為電路或系統(tǒng)提供參考等電位的點(diǎn)或面，為電流流回源提供一條低阻抗路徑，為噪聲提供一個(gè)低阻抗通路。根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)備電源輸入負(fù)極和設(shè)備機(jī)殼地隔離；機(jī)殼地和內(nèi)部地之間提供低阻抗通路。所有車載設(shè)備的機(jī)殼地通過(guò)車架互聯(lián)，如圖2所示。

圖2 車載設(shè)備互連和接地

2.5 信號(hào)的隔離、濾波措施

24/12V電源模塊使用隔離電源；設(shè)備互聯(lián)使用接口隔離，接口信號(hào)使用共模濾波器濾波；輸入電源線采用電源濾波器濾波（共模和差模）；設(shè)備內(nèi)部連接線纜使用磁珠或電容濾波。

2.6 屏蔽設(shè)計(jì)

2.6.1 機(jī)箱屏蔽

主機(jī)機(jī)箱由頂蓋板和機(jī)殼組成，機(jī)殼采用全金屬結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)位置為顯示屏和喇叭開(kāi)口。頂蓋板與機(jī)殼接縫處安裝導(dǎo)電屏蔽膠條，增強(qiáng)蓋板與結(jié)構(gòu)主體的電連接。

2.6.2 模塊屏蔽

顯示屏覆蓋導(dǎo)電屏蔽玻璃，顯示屏和玻璃的安裝在專門的金屬支架上，玻璃和支架良好搭接。安裝顯示屏?xí)r，在主機(jī)上開(kāi)一窄縫用于顯示屏和主機(jī)內(nèi)部線纜連接，支架和機(jī)殼良好搭接，并利用支架來(lái)屏蔽接線縫隙。

手柄外殼采用全金屬化外殼，連接線纜使用屏蔽線纜，線纜屏蔽層和手柄外殼良好電氣搭接。手柄內(nèi)的按鍵板，采用4層板，按鍵等無(wú)源器件安裝在按鍵板頂層，有源器件放置在按鍵板的底層，通過(guò)按鍵板和外殼隔絕外部干擾及內(nèi)部電磁信號(hào)泄漏。

2.7 靜電、雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

輸入/輸出線纜及內(nèi)部互連線纜設(shè)計(jì)有ESD及過(guò)壓保護(hù)；天線單元內(nèi)置防雷器，防雷器釋放通道為車體。

3 典型問(wèn)題分析

本節(jié)以測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的典型問(wèn)題為代表，分析根本原因，提出改進(jìn)方法。

3.1 電源濾波器布局問(wèn)題

初始主機(jī)電源線做電場(chǎng)輻射發(fā)射（RE102）測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)輻射嚴(yán)重超標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 初始主機(jī)RE102測(cè)試結(jié)果（電源線正極，垂直極化）

初始設(shè)計(jì)中為了便于板卡的生產(chǎn)和維修，要求濾波器焊接到PCB；設(shè)備安裝要求電源在后面板進(jìn)線，電源開(kāi)關(guān)位于前面板；用電安全要求通過(guò)電源開(kāi)關(guān)完全切斷輸入電源；初始布局為：電源進(jìn)線從隔離電源下穿過(guò)，通過(guò)濾波器，再返回給隔離電源，造成濾波器和隔離電源的布局不合理。初始布局如圖4所示。

圖4 初始電源模塊和濾波器布局

以上布局存在3個(gè)問(wèn)題：1）電源進(jìn)線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)；2）隔離電源可以旁路濾波器，將噪聲耦合到電源進(jìn)線，電源濾波器的作用削弱；3）電源進(jìn)線部分的PCB內(nèi)層沒(méi)有掏空，噪聲容易通過(guò)內(nèi)層耦合到電源進(jìn)線。

為解決上述問(wèn)題，提出4條改進(jìn)措施：1）濾波器單獨(dú)放置在電源進(jìn)線側(cè)，并設(shè)置隔離艙；2）電源進(jìn)線經(jīng)過(guò)濾波器，通過(guò)短線連接到隔離電源，電源開(kāi)關(guān)通過(guò)控制信號(hào)接地來(lái)控制隔離電源的工作狀態(tài)；3）內(nèi)部線纜雙絞；4）電源輸入部分的PCB內(nèi)層全部掏空。改進(jìn)后的PCB布局如圖5所示，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 改進(jìn)后的電源模塊和濾波器布局

圖6 改進(jìn)后的主機(jī)RE102測(cè)試結(jié)果（電源線正極，垂直極化）

3.2 串口干擾問(wèn)題

初始主機(jī)調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)主板啟動(dòng)過(guò)程中，在沒(méi)有外接串口線的情況下，串口接收（RX）信號(hào)容易受到串口發(fā)送（TX）信號(hào)干擾。干擾信號(hào)如圖7所示。

圖7 初始設(shè)計(jì)主機(jī)主板串口RX的干擾信號(hào)（1V/div）

查看原理圖，發(fā)現(xiàn)串口TX/RX信號(hào)線接有TVS管，TVS管一端接TX信號(hào)線或RX信號(hào)線，一端接機(jī)殼地。該型號(hào)TVS管的寄生電容大約在1000pF左右。當(dāng)TX信號(hào)線有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，在上升沿/下降沿處有高頻信號(hào)存在，高頻信號(hào)通過(guò)兩個(gè)TVS管耦合到了RX信號(hào)線。如圖8所示。

圖8 串口收發(fā)耦合示意圖

為解決上述問(wèn)題，在機(jī)殼地和信號(hào)地之間增加一個(gè)0.1uF電容，高頻信號(hào)大部分通過(guò)這個(gè)電容返回，只有小部分耦合到RX信號(hào)線。如圖9所示。

圖9 增加電容減小信號(hào)回路阻抗

測(cè)試后發(fā)現(xiàn)RX信號(hào)線上干擾信號(hào)幅度降低了30dB左右，如圖10所示。

圖10 增加0.1uF電容后RX上耦合的干擾信號(hào)（50mV/div）

3.3 以太網(wǎng)線輻射超標(biāo)問(wèn)題

輻射值超過(guò)限值時(shí)，一般應(yīng)查找噪聲源，減弱噪聲信號(hào)強(qiáng)度，若不奏效，使用屏蔽措施，可獲得良好的效果。

在對(duì)設(shè)備的以太網(wǎng)線進(jìn)行RE102測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果超標(biāo)。如圖11所示。

圖11 原始以太網(wǎng)線的RE102測(cè)試結(jié)果

PCB布線顯示，信號(hào)線在共模濾波器后布線過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致共模電流大。雖然網(wǎng)線已采用了屏蔽措施，但共模電流仍通過(guò)外層屏蔽返回，造成輻射超標(biāo)。共模電流流向如圖12所示。

圖12 屏蔽網(wǎng)線上的共模噪聲

因無(wú)法有效消除噪聲，采用雙層屏蔽，使用外屏蔽層來(lái)屏蔽內(nèi)屏蔽層上的共模電流，如圖13所示。采用雙層屏蔽后，該網(wǎng)線的RE102輻射降低，如圖14所示。

圖13 雙層屏蔽網(wǎng)線共模噪聲

圖14 雙層屏蔽網(wǎng)線的RE102測(cè)試結(jié)果

本文基于EMC設(shè)計(jì)的三要素（干擾源，受感器以及耦合通道），提出EMC設(shè)計(jì)方案及解決問(wèn)題的方法。該方案及方法已在某車載調(diào)度終端的設(shè)計(jì)和測(cè)試中證明有效，對(duì)其他設(shè)備的設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。對(duì)于EMC問(wèn)題的解決，一般采取濾波，屏蔽及接地等措施，但問(wèn)題的定位是難點(diǎn)，在實(shí)際的工作中具體問(wèn)題要具體分析。