面向CS116試驗故障的電纜網仿真設計

王蓉 史忠軍 陳俊偉 孫成 王力

摘要：從電磁兼容試驗CS116鑒定項目的故障現象出發，對產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，也出現了故障。通過分析提出的電纜網輸入和輸出端口地線短路2種改進方案，仿真和試驗結果表明，在電纜網輸入端進行地線短路具有更好的效果。電纜網接地的設計改進方法，避免了狀態確定的電路產品進行電路原理和PCB的設計更改。

關鍵詞：CS116;電纜網;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

當電子產品暴露在核電磁脈沖或雷電等外部環境時，由于電纜自身和其他相連產品電氣開關切換等引起的電磁現象，產品內部的感應電流和電壓波形常常為阻尼正弦波[1]。電磁兼容試驗的CS116試驗模擬該電磁現象，考核軍用設備和分系統的所有互連電纜和電源線，是大多數軍用電子產品必須進行的電磁兼容試驗項目，表征電子產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，對空軍設備或系統要求電子產品在10 kHz～100 MHz之間電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度應能夠承受5 A的能力，而在GJB 151B—2013中提高到10 A[2]，意味著GJB對電子產品在CS116傳導敏感度的承受能力上提出了更嚴格的設計要求。

成熟產品在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的異常故障，進一步試驗發現該產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實際產品的設計情況來決定。根據本產品基本成熟的現狀，不宜對產品設計進行改進，只能從接地設計角度進行改進。為解決這一問題，對產品功能原理和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，并復現了故障。通過對產品電纜網接地設計的仿真優化改進，確定了電纜網接地的設計改進方法，提升了CS116峰值電流承受能力，達到了預期要求，避免了已投產的電路產品進行電路原理和PCB設計的優化。

1試驗故障現象

按照GJB151B-2013規定，CS116試驗連接如圖1所示。圖中，X2為產品電源及總線接口，X1為產品的遙測信號輸出，用于出廠前僅產品性能的測試，產品交付后，X1處于懸空狀態。根據電磁兼容試驗僅對接入系統狀態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，被測產品由直流穩壓電源經過2個線路阻抗穩定網絡（LISN）提供。瞬變信號發生器產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品“開機”的誤觸發現象。進一步排查發現，遙測信號中的產品地和外殼地之間，存在較大的干擾沖擊信號，如圖2所示。從圖中可以看出，產品地在CS116試驗中，出現單峰值接近5 V的電壓，該電壓將會使產品內部的邏輯器件產生誤動作，出現產品誤開機的現象。

試驗曲線表明，產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。考慮到產品是成熟、即將定型的產品，不能對內部的走線、濾波及接地進行優化，只能對產品電纜網進行相應的接地優化。通過仔細研究CS116試驗方法，根據原理抽象、簡化和建立的試驗仿真模型，通過仿真提出和驗證電纜網改進的有效性。

2瞬變干擾信號分析

CS116項目是GJB151B-2013新規定的電纜和電纜線阻尼正弦瞬態傳導敏感度，試驗采用瞬變信號發生器產生阻尼信號，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環境的系統級試驗期間，產品電纜上所發現的最大的感應電平低于諧振頻率時，耦合量和頻率成正比;曲線的低頻轉折點為1 MHz，高頻轉折點為30 MHz。典型頻率的電流峰值如表1所示。

3試驗狀態建模與仿真

如圖6所示，試驗產品由A，B，C，D，E五個接收機組成，每個接收機內部電路板數量也不同。在產品設計時，為提高產品的測試性，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品電纜接口X2。瞬態信號發生器產生的阻尼正弦干擾信號從產品電纜注入，地線上出現最大10 A的瞬態正弦阻尼電流，該電流回流到地，先后經過各電路板、各接收機，通過機殼回流到地[4]。

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

瞬變信號發生器產生的阻尼正弦瞬變干擾大電流信號通過注入探頭，注入到產品電纜，經由端口X2進入產品。產品電路復雜，準確建立電路模型基本不可能，必須依據地線受到干擾的現象進行簡化，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根據電流路徑，產品內部經過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，根據電纜型號，按照電纜長度、芯線面積等參數建立電纜的PSPICE仿真模型。

③M2中電路板地阻抗仿真模型，根據實際產品測試，相關地引腳與電路板內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，根據機殼接地電纜線電阻、接觸電阻相加進行建模。

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

采用簡單的2個非門替代復雜的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]，設置仿真時間100μs，簡單邏輯輸入（B點）和輸出（E點）的仿真結果如圖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，可以驅動簡單邏輯電路形成邏輯“0”的階躍，出現6次產品邏輯混亂。仿真結果與故障現象在最大值的包絡方面一致，也出現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，導致原本是地的電路節點上出現阻尼正弦波形。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]。但在產品原理圖、PCB難于更改的狀態下，解決該問題，宜用產品電纜網的設計改進和優化。

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

4.1電纜網輸出端口接地短路仿真

在圖7中，按照A1～A12的電路節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，仿真結果如圖9所示。從圖中可以看出，在電纜網輸出端口短路后，簡單邏輯輸入電路節點（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點（E點）仍然存在2次邏輯混亂。

4.2電纜網輸入端口接地短路仿真

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

5產品改進與試驗驗證

上述仿真結果表明，電纜網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，解決問題的措施如下：首先，在電纜網輸入端口進行接地短路;如果不能通過CS116試驗，在電纜網輸入、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的角度重新進行優化設計。

電纜網輸入端口短路方案的電纜網設計如圖11所示。12根地線在完成互聯后，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。

采用電纜網輸入端口短路的方法改進電纜網，進行產品的裝配和CS116項目試驗，未觀測到產品“開機”誤觸發的現象。試驗過程中，遙測信號中產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，可以發現電纜網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。

6結束語

本文從CS116試驗的故障現象出發，對產品進行接地分析，建立仿真模型，復現了試驗故障，并根據電纜網輸出端口地線短路、輸入端口地線短路的2種改進方案，建立仿真模型，對仿真結果進行優選，采用電纜網輸入端口短路的方案進行產品電纜網的設計改進。結果表明，該方案可有效解決故障現象，試驗結果與仿真結果基本一致。在實際產品設計中，如果產品實際接地較好，可以選擇電纜網輸出端口地線短路;如果產品實際接地更差，可以同時采用電纜網輸入、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

[1]黃明亮，侯冬云，孟凡民.CS116試驗項目與設備電磁脈沖防護[C]//第六屆全國電磁兼容性學術會議2004EMC論文集，武漢：《艦船電子工程》雜志社，2004：269-272.

[2]工業和信息化部電子第四研究院，海軍裝備研究院標準規范研究所，總裝備部技術基礎管理中心，等.軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量：GJB 151B-2013[S].北京：國防科工委軍標出版發行部，2013.

[3]譚陽紅.基于OrCAD16.3的電子電路分析與設計[M].北京：國防工業出版社，2011.

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[6]何宏，杜明星，張志宏.電磁兼容原理與技術[M].北京：清華大學出版社，2017.