船用電氣電子設備電磁兼容共性問題及解決方案

王 軍， 劉 雄， 劉 紅， 琚格格

(1.中國船級社 武漢分社， 湖北 武漢430205；2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所， 湖北 武漢430205)

0 引 言

目前船用電氣電子設備主要依據中國船級社(簡稱CCS)制定的GD 01-2006《電氣電子產品型式認可試驗指南》(該指南的更新升級版本GD 22-2015《電氣電子產品型式認可試驗指南》已發布，新舊指南在測試項目、測試方法和測試要求上并無本質區別。本文的分析內容雖以舊版本GD 01-2006指南為基礎支撐，卻同樣適用于依據GD 22-2015新指南進行型式認可的電氣電子產品)進行電磁兼容性型式認可試驗，該試驗指南包括具體的測試項目以及相應的測試方法和測試要求。

產品在EMC檢測認證過程中如果出現反復測試、多次整改的情況，設備廠商將承擔大量超出預算的檢測認證費用，同時，項目也可能因此延遲交付。CCS聯合中國船舶工業武漢機電產品環境與可靠性試驗檢測中心(簡稱“檢測中心”)對其長期累積的檢測數據進行統計分析，總結產品在試驗過程中易出現的普遍問題。對這些問題的分析總結，可為其他產品的電磁兼容性設計提供參考，使其能一次性通過EMC檢測認證。

檢測中心于2014年1月-2016年6月共完成53臺(套)民船電氣電子設備的EMC檢測認證，其中13臺(套)設備出現了電磁干擾現象。在這些不合格產品中出現不合格測試項的總次數為17次，其中傳導發射次數為4次，端口輻射發射次數為10次，浪涌抗擾度次數為1次，電快速瞬變脈沖群抗擾度次數為1次、靜電放電抗擾度次數為1次。具體如圖1所示。

圖1 不合格項次數統計

由圖1可知，發射測量試驗在不合格測試項目中占較大比重。本文重點分析發射測量試驗項目的實質、試驗故障產生的原因，并結合實際案例總結電氣電子產品EMC設計防護的注意事項。

1 發射騷擾測量的實質

發射測量的目的是通過測試對電氣電子設備的騷擾發射進行符合性判斷，防止其對其他電子設備產生不良影響。從騷擾能量的發射途徑上劃分，騷擾發射分為傳導性發射和輻射性發射。

1.1 傳導發射測量實質

傳導發射測量是測量電氣電子設備所產生的并出現在其供電端口(交流和直流)的任何信號。這些信號能在船舶供電系統中傳導，從而可能騷擾其他設備。該測試的目的是保障船上配電系統的電源質量。傳導測量的測試框圖如圖2所示。

圖2 傳導測試框圖

圖2中曲線1和曲線2為受試設備(Equipment Under Test， EUT)電源線上干擾信號主要回路。測量接收機信號輸入端與圖中“測量接收機輸入端”相連，接收機輸入端口阻抗為50 Ω，接收機上最終的測試結果是線路阻抗穩定網絡 (Line Impedance Stabilization Network， LISN)中1 kΩ電阻與接收機50 Ω內阻并聯后的等效電阻上的電壓。因此，要控制接收機上的最終測試結果，需控制流過該等效電阻上的電流，這是控制傳導發射的關鍵[1]。

1.2 外端口輻射發射測量實質

外端口輻射發射測量是測量電氣電子設備產生的電磁場干擾信號，其目的是對電氣電子設備的輻射發射進行符合性驗證，以保障船上電氣電子設備不會相互干擾。輻射發射測量的實質是測量產品中兩種等效天線所產生的輻射信號強度，第一種等效天線模型是信號回路，第二種等效天線模型是單極天線(或對稱偶極子天線)。最終的測量結果主要由兩部分相加得到，一部分是接收機測量到的接收天線感應到的電場強度，另一部分為該天線的天線系數。

2 分析設備發射干擾產生的原因

2.1 傳導發射干擾產生的原因

傳導發射按照產生發射的機理分為諧波發射和射頻發射。諧波發射是指交流電的諧波成分的發射，其產生的主要原因是設備的非線性導致的工作電壓、電流的畸變；射頻發射是更高頻率的騷擾成分，這些騷擾成分主要來自于開關電源的頻繁切換以及數字電路高低電平的轉換、感性負載的切換等。另外，供電電源線也可能感應外部空間的輻射干擾而產生射頻傳導干擾。

2.2 輻射發射干擾產生的原因

電氣電子產品產生輻射發射的兩個必要條件是驅動源和輻射發射天線。驅動源包括系統內各個電路正常工作時產生的有用信號源和由于產品中存在的未知信息(包括線路之間的寄生電感、寄生電容等)在等效天線中感應寄生的干擾信號；輻射發射天線主要包括產品電路板上環路等效天線和單極等效天線(或對稱偶極子天線)。滿足以上兩個必要條件后，產品在工作時就會向空間環境輻射信號。

3 騷擾發射測量應對措施

傳導發射測量和輻射發射測量都是測量產品自身向周圍環境傳遞出的電磁能量，測試值過高會對鄰近的無線接收設備或靈敏設備造成干擾。

3.1 傳導發射的抑制方法

電源線上的高次諧波和電源線上感應的共模、差模干擾信號是引起測試結果不滿足電磁兼容標準要求的主要原因，而抑制流過等效電阻上的電流是控制傳導發射的關鍵。結合實驗室實際檢測情況，主要的措施方法包括：濾波處理、接地處理、部件結構布局調整。

3.1.1 濾波處理

濾波處理的主要目的是通過濾波處理，為騷擾信號提供合適的電流回路從而減少流過等效電阻的電流。由于電路系統中任何部分的騷擾信號都可能通過耦合的方式對輸入電源線產生影響，因此在產品電路的各個設計模塊中都應加入濾波處理。目前實驗室有記錄的傳導發射超標的整改措施都是選擇更換合適的電源濾波器。具體情況如表1所示。

表1 樣品傳導發射測試情況

表1為傳導發射超標實例，其中包括檢測產品的名稱、超標情況、初測結果、復測結果、整改措施。在實際工程中，即便工程師知道需在電路的輸入端或電源線上安裝電源濾波器，但在很多情況下按照設計制作的濾波器在實際測試中的效果卻并不理想。這是因為工程師可能沒有注意以下幾點：

(1) 濾波電容的不理想性。在選擇濾波電容時需根據實際情況結合電容器的串聯諧振點選擇合適的濾波電容。

(2) 濾波電感的不理想性。在選擇濾波電感時需根據實際情況結合電感器的并聯諧振點選擇合適的濾波電感。

在濾波器的選用和安裝過程中需考慮以下幾個方面：

(1) 電源線濾波器可選用具有共模與差模濾波元件的組合式集成電源線濾波模塊，其集成封裝的結構可以避免由于濾波模塊內部電磁泄漏帶來的干擾問題。

(2) 在所要求的頻率范圍內，濾波器的阻抗必須與其連接的干擾源阻抗和負載阻抗相匹配：如果負載是高阻抗，則濾波器的輸出阻抗需為低阻抗；如果負載是低阻抗，則濾波器的輸出阻抗則需為高阻抗。

(3) 濾波器必須具有一定的耐壓能力，能夠經受輸入瞬時高壓的沖擊。

(4) 根據電子設備的電流消耗，選擇的電源線濾波器應具有較大的額定電流。

(5) 電源線濾波器需有較好的高頻特性以免引起電源線的輻射發射和設備抗高頻干擾能力的下降。

(6) 在濾波器的安裝過程中：濾波器的接地點應與設備機殼的接地點相連，并盡量縮短接地線；若濾波器噴過漆，則必須刮去漆皮；濾波器需安裝在設備電源線輸入端，連線需盡量短；濾波器輸入線和輸出線應盡可能分離[2]。

3.1.2 接地處理

接地處理的目的是通過合適的接地方式，為電路系統中的騷擾信號提供合適的閉環回路，使騷擾信號盡可能少地流過等效電阻。該處理方式需首先定位騷擾源，然后通過地線短接的方式，為地線上的騷擾源提供完整的閉環回路，從而減少流過真正地線的電流。在測試配置時，需注意將接地線與電源線一起走線，不能按“就近接地方式”，以免造成較大的環路而接收到騷擾信號[3]。

3.1.3 結構調整

調整系統中相關部件的位置或形狀的主要目的是通過調整系統中容易產生信號耦合的部件的位置或形狀，減少該部件通過耦合方式向電源線或地線進行耦合騷擾，從而規避由信號耦合造成的傳導發射超標。

綜上所述，傳導測試的實質是控制流過等效電阻中的電流，因此無論是采取濾波方式還是接地處理亦或是調整設備的結構，只要能控制流過等效電阻的電流都將是行之有效的處理措施。

3.2 輻射發射的抑制方法

發生輻射騷擾問題需同時滿足3個條件：騷擾源、敏感源和傳播路徑。從抑制輻射騷擾的角度，可以從騷擾源和傳播路徑兩方面采取措施對輻射騷擾進行抑制。對于騷擾源的控制，需從電路結構和電路板的設計方面入手；對于傳播路徑的處理，主要采取屏蔽和濾波處理。

輻射發射抑制的具體措施包括對機箱進行屏蔽處理、對線纜進行屏蔽濾波處理、設計良好的線路板、設計良好的電路，如圖3所示。

圖3 輻射發射抑制措施

實驗室對輻射超標設備的記錄情況如表2所示，包括產品名稱、輻射發射超標范圍、整改措施。由表2可知，超標頻率的范圍較廣，但整改措施總體分為兩類：一類是對機箱進行屏蔽處理；另一類是對線纜進行屏蔽處理。這是因為產品進行電磁兼容試驗時已經完成產品的功能和性能檢測，處于產品研制的后期，很難從電路部分對產品的電磁兼容性進行整改，只能采用屏蔽的方式對產品進行處理。

表2 樣品輻射發射測試情況

續表2 樣品輻射發射測試情況

3.2.1 機箱屏蔽處理

電氣電子設備工作時會向周圍環境輻射電磁能量，頻率越高就越容易產生電磁輻射。如果設備采用金屬機箱，或在塑料機箱內噴涂一層金屬作為屏蔽層，則電磁能量可能會被限制在設備內部，限制的程度取決于機箱的屏蔽效能。如果機箱上有較大的孔或較長的縫隙，則屏蔽效能會大幅下降，產生電磁能量泄漏。根據電磁理論，這些孔縫相當于1個二次發射天線，當這些孔縫的長度等于半波長的整數倍時，泄漏能量最大。對于固定的孔縫，頻率越高，泄漏越嚴重。一般要求孔縫長度應為：l<λ/50，l為孔縫尺寸，λ為設備內可能輻射的最高頻率的波長[4]。

電磁輻射的泄漏點可通過近場磁場探頭沿機殼孔縫移動進行定位，如果在某個孔縫處發現較大的泄漏場強，可通過臨時在該處添加導電襯底、采用波導設計、縮短連接螺絲的間距等措施進行改進。

以激光陀螺儀設備為例說明機箱屏蔽處理在抑制電磁輻射發射方面的作用。該產品要求按照GD 01(3.3)及相關測量方法進行試驗。試驗范圍：150 kHz～2 GHz，以準峰值檢波方式進行測量。試驗限值按一般配電區限值EMC 2限值進行試驗。初次測試時在3～4 MHz，30～450 MHz等頻段內有超標現象。測試結果如圖4所示。

圖4 激光陀螺儀設備輻射發射不合格

對機箱殼體進行屏蔽處理，對殼體添加導電橡膠圈，重新測試，測試結果符合標準限值要求，具體如圖5所示。

圖5 激光陀螺儀設備輻射發射合格

3.2.2 線纜處理

電纜產生輻射的機理主要有兩種：一種是電纜中的信號回路產生的差模輻射；另一種是電纜上的共模電流產生的共模輻射。由于信號線與回線之間的距離很小，由此形成的差模電流面積也很小，因此差模輻射往往不是主要的輻射因素。共模輻射是由共模電流產生的，共模電流的環路是由電纜與參考地及雜散電容構成的，因此具有較大的環路面積，會產生較強的輻射。

根據電纜共模輻射機理，常采用以下方式控制電纜共模輻射：

(1) 盡量控制電纜長度并使電纜長度小于波長的一半以下。

(2) 在電纜上串聯共模扼流圈增加共模電流回路的阻抗從而減小共模電流。

(3) 減小共模電壓。可以從以下幾個方面控制電纜上的共模電壓：①采取各種措施降低地線的阻抗，降低地線上的噪聲電壓，從而降低外拖電纜上的共模電壓；②強干擾電路遠離I/O端口；③屏蔽內部電纜。當內部電纜較長時，其更容易感應上較高的共模電壓，這時可以將內部電纜屏蔽起來，屏蔽層與金屬機箱用低阻抗連接起來。

(4) 電纜屏蔽。其目的是為共模電流提供1條低阻抗的路徑，使共模電流環路面積較小。該方法的核心有兩點：其一，用屏蔽電纜控制電纜共模輻射的本質是減小共模電流的回路面積，具體如圖6所示；其二是屏蔽層必須有很低的阻抗[5]。

圖6 共模電流回路面積示例

以某研制單位研發的火災報警系統為例，說明線纜屏蔽處理在抑制電磁輻射發射方面的作用。該產品按照GD 01(3.3)及相關測量方法進行試驗。試驗范圍：150 kHz～2 GHz，以準峰值進行測量。試驗限值按一般配電區限值EMC 2進行試驗。初次測試時在4～200 MHz頻段超標，最大超標幅度為7 dB。測試結果如圖7所示。

圖7 火災報警系統輻射發射不合格

對線纜進行屏蔽處理，對電纜套防波套管，重新測試，測試結果符合標準限值要求，具體如圖8所示。

圖8 火災報警系統輻射發射合格

3.2.3 良好的線路板設計

線路板設計的核心是減小信號電流的回路面積，降低地線上的共模電壓，對強輻射源電路進行局部屏蔽，常用方法如下：

(1) 使用多層線路板為數字電路設置地線面與電源線面，為高頻脈沖信號提供最小的回路面積，降低電源線上的噪聲，從而降低電纜上的共模電流。

(2) 地線面上避免有長縫隙，以防其截斷信號回路路徑，使回路面積增加。

(3) 采用網格地的地線，降低電纜上的共模電流。

(4) 芯片旁的儲能電容與所供電的芯片之間的供電回路面積需盡可能小。

(5) 濾波電容的引線盡量短。

(6) 保持時鐘的回路面積最小。

(7) I/O端口的濾波電路盡可能靠近機箱上的I/O插座。

(8) I/O端口設置干凈地，減少與其他信號回路共有的地線部分，并將其通過最低的阻抗連接至設備的導電外殼。

3.2.4 良好的電路設計

電路設計的核心內容是降低電路的工作頻率，降低電路的回路面積，限制進入電纜的共模電流，具體方法如下：

(1) 不使用超過需要的時鐘頻率。

(2) 限制時鐘信號的上升沿/下降沿。一般在時鐘電路的輸入端安裝鐵氧體磁珠就可使脈沖光信號的上升沿/下降沿變緩。

(3) 盡量使用大規模集成電路。大規模集成電路的尺寸遠小于線路板，這意味著其信號電流的回路面積遠小于線路板上信號電流回路面積。

(4) 在滿足功能的前提下，盡可能使用較低速的數字芯片。較低速的電路不僅產生較少的電磁輻射，而且對外部騷擾的抵抗力也較高。

(5) 所有I/O端口安裝適當的濾波電路。

(6) 完善的電源解耦電路。特別是在高速數字電路的場合，以及數字電路與模擬電路共用電源的場合。

4 結 論

本文通過對中國船級社制定的GD 01-2006《電氣電子產品型式認可試驗指南》中EMC試驗項目的試驗原理進行分析，結合檢測中心長期累積的檢測數據，對易出現電磁不兼容的試驗項目提出設備電磁兼容性改進的措施方法。這些措施方法表明設備最終通過EMC電磁兼容認證并非完全依靠產品成型后的整改，而是電氣電子產品的電磁兼容性設計應滲透至產品設計開發過程，包括電路級的電磁兼容設計、電路板級的電磁兼容設計、產品結構屏蔽設計、電源信號濾波設計等。只有這樣研制出的電氣電子產品才能保證其可靠性、安全性，才能更好地服務于船用系統。