某車載調度終端的電磁兼容設計

北京連山科技股份有限公司 姜艷龍

北京郵電大學 李 鶴

基于電磁兼容的基本概念，結合某車載調度終端的研制經驗，本文介紹了器件選型，PCB布局，PCB布線，接地設計，濾波，屏蔽以及接口保護等電磁兼容設計方法；根據測試中發現的問題，分析原因并給出解決措施。

電磁兼容（EMC）是指電子、電氣設備或系統在預期的電磁環境中，按設計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。軍用車載設備要遵循GJB 151B-2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》標準中相關設備的限值要求。

隨著現代軍事技術的需求，軍用電子設備的構成已向綜合化、小型化、模塊化和通用化方向發展，軍用電子設備的組成越來越復雜、功能構成也越來越強大。軍用車載電子設備安裝環境復雜，安裝車型及方艙種類眾多。

車載設備所面臨的電磁環境愈加復雜，設備之間的兼容性問題愈加突出，設備外形小、重量輕、功耗低的需求愈發迫切；根據機要及數據安全的要求，軍用設備需集成必要的相關模塊；這些因素都為車載設備的電磁兼容設計提出了挑戰。

本文結合某車載調度終端的研制經驗，從器件選型，印制電路板（PCB）布局布線，接地，濾波，屏蔽及接口保護等方面提出電磁兼容設計方案，對測試中遇到的典型問題，分析原因并提出改進方法。

1 車載調度終端及安裝環境

車載調度終端基于專網，解決車隊行進中的調度及數據通信需求。終端由三部分組成：主機，手柄和天線單元，如圖1所示。主機在較小的空間內提供了多個處理模塊（包括機要模塊接口，業務處理模塊，通信處理模塊以及數據安全處理模塊），提供通信，數據安全和語音業務功能；手柄包含鍵盤和麥克，為業務提供輸入功能；天線單元通過饋線和主機互聯，由多個寬頻天線構成。為解決方艙內通信問題，主機通過以太網線與其他車載設備互聯。

圖1 車載調度終端組成圖

車載調度終端EMC設計的難點在于主機包含多個處理模塊，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；設備連線多，包括電源線，以太網數據線，手柄互連線以及射頻線。

主機安裝在駕駛艙或方艙內，天線一般安裝在車頂。

2 EMC設計方案

EMC設計中的三要素是：干擾源，受感器以及兩者之間的耦合通道。EMC設計的目的就是減少干擾的產生，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電感（ESL）小的多層陶瓷電容；對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，對信號進行濾波；選用合適的瞬時電壓抑制（TVS）管以及空氣放電管對輸入輸出信號進行靜電釋放（ESD）及過壓保護。

2.2 PCB布局

電源濾波器要單獨放置，串接在電源的輸入進線和隔離電源模塊之間，模塊之間的距離不宜過長；去耦電容盡量靠近電源管腳；保護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，使設備內部走線盡量短。

2.3 PCB布線

PCB的疊層要選擇緊耦合；單端及差分布線按設計阻抗布線；布線換層時需要考慮回路；相鄰內層布線要相互垂直，避免耦合；單端線之間，差分線之間設置合適的間隔，避免信號間較大的串擾；對敏感信號線或噪聲信號增加地隔離；布線距離板邊要有一定的距離；保護器件的連線ESL盡量小，使保護器件能正常動作。

2.4 地設計

地是為電路或系統提供參考等電位的點或面，為電流流回源提供一條低阻抗路徑，為噪聲提供一個低阻抗通路。根據技術要求，設備電源輸入負極和設備機殼地隔離；機殼地和內部地之間提供低阻抗通路。所有車載設備的機殼地通過車架互聯，如圖2所示。

圖2 車載設備互連和接地

2.5 信號的隔離、濾波措施

24/12V電源模塊使用隔離電源；設備互聯使用接口隔離，接口信號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）；設備內部連接線纜使用磁珠或電容濾波。

2.6 屏蔽設計

2.6.1 機箱屏蔽

主機機箱由頂蓋板和機殼組成，機殼采用全金屬結構，在適當位置為顯示屏和喇叭開口。頂蓋板與機殼接縫處安裝導電屏蔽膠條，增強蓋板與結構主體的電連接。

2.6.2 模塊屏蔽

顯示屏覆蓋導電屏蔽玻璃，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。安裝顯示屏時，在主機上開一窄縫用于顯示屏和主機內部線纜連接，支架和機殼良好搭接，并利用支架來屏蔽接線縫隙。

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。手柄內的按鍵板，采用4層板，按鍵等無源器件安裝在按鍵板頂層，有源器件放置在按鍵板的底層，通過按鍵板和外殼隔絕外部干擾及內部電磁信號泄漏。

2.7 靜電、雷電防護設計

輸入/輸出線纜及內部互連線纜設計有ESD及過壓保護；天線單元內置防雷器，防雷器釋放通道為車體。

3 典型問題分析

本節以測試中發現的典型問題為代表，分析根本原因，提出改進方法。

3.1 電源濾波器布局問題

初始主機電源線做電場輻射發射（RE102）測試時，發現輻射嚴重超標，測試結果如圖3所示。

圖3 初始主機RE102測試結果（電源線正極，垂直極化）

初始設計中為了便于板卡的生產和維修，要求濾波器焊接到PCB；設備安裝要求電源在后面板進線，電源開關位于前面板；用電安全要求通過電源開關完全切斷輸入電源；初始布局為：電源進線從隔離電源下穿過，通過濾波器，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個問題：1）電源進線長度過長；2）隔離電源可以旁路濾波器，將噪聲耦合到電源進線，電源濾波器的作用削弱；3）電源進線部分的PCB內層沒有掏空，噪聲容易通過內層耦合到電源進線。

為解決上述問題，提出4條改進措施：1）濾波器單獨放置在電源進線側，并設置隔離艙；2）電源進線經過濾波器，通過短線連接到隔離電源，電源開關通過控制信號接地來控制隔離電源的工作狀態；3）內部線纜雙絞；4）電源輸入部分的PCB內層全部掏空。改進后的PCB布局如圖5所示，測試結果如圖6所示。

圖5 改進后的電源模塊和濾波器布局

圖6 改進后的主機RE102測試結果（電源線正極，垂直極化）

3.2 串口干擾問題

初始主機調試時，發現主板啟動過程中，在沒有外接串口線的情況下，串口接收（RX）信號容易受到串口發送（TX）信號干擾。干擾信號如圖7所示。

圖7 初始設計主機主板串口RX的干擾信號（1V/div）

查看原理圖，發現串口TX/RX信號線接有TVS管，TVS管一端接TX信號線或RX信號線，一端接機殼地。該型號TVS管的寄生電容大約在1000pF左右。當TX信號線有數據輸出時，在上升沿/下降沿處有高頻信號存在，高頻信號通過兩個TVS管耦合到了RX信號線。如圖8所示。

圖8 串口收發耦合示意圖

為解決上述問題，在機殼地和信號地之間增加一個0.1uF電容，高頻信號大部分通過這個電容返回，只有小部分耦合到RX信號線。如圖9所示。

圖9 增加電容減小信號回路阻抗

測試后發現RX信號線上干擾信號幅度降低了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（50mV/div）

3.3 以太網線輻射超標問題

輻射值超過限值時，一般應查找噪聲源，減弱噪聲信號強度，若不奏效，使用屏蔽措施，可獲得良好的效果。

在對設備的以太網線進行RE102測試時，測試結果超標。如圖11所示。

圖11 原始以太網線的RE102測試結果

PCB布線顯示，信號線在共模濾波器后布線過長，導致共模電流大。雖然網線已采用了屏蔽措施，但共模電流仍通過外層屏蔽返回，造成輻射超標。共模電流流向如圖12所示。

圖12 屏蔽網線上的共模噪聲

因無法有效消除噪聲，采用雙層屏蔽，使用外屏蔽層來屏蔽內屏蔽層上的共模電流，如圖13所示。采用雙層屏蔽后，該網線的RE102輻射降低，如圖14所示。

圖13 雙層屏蔽網線共模噪聲

圖14 雙層屏蔽網線的RE102測試結果

本文基于EMC設計的三要素（干擾源，受感器以及耦合通道），提出EMC設計方案及解決問題的方法。該方案及方法已在某車載調度終端的設計和測試中證明有效，對其他設備的設計也具有一定的借鑒意義。對于EMC問題的解決，一般采取濾波，屏蔽及接地等措施，但問題的定位是難點，在實際的工作中具體問題要具體分析。