通信車載綜合電源電磁兼容設計與整改

張錦升，劉佳俊，徐一瑋，任志敏

（武漢龍安集團有限責任公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

20 世紀50 年代，美國宇航局為了滿足火箭搭載電源微型化、質量輕的要求，開發出首個移動電源[1]。隨著導體技術與集成電路的發展以及大量新型車載通信設備的列裝，車載綜合電源逐漸向集成化方向發展。

線性電源以其穩定的工作狀態曾經風靡一時，但隨著能源的枯竭以及大規模集成電路的發展，人們對電源的功耗、效率、體積和重量的要求也越來越高。開關電源具有效率高、體積小等優點，但也會因高速開關器件的使用帶來較大的脈沖干擾，其諧波成分會污染電網和車內電磁環境。對車載電源的干擾進行有效抑制，成為車載電源設計的難點。

1 車載綜合電源及電磁兼容概述

1.1 車載綜合電源

車載系統的供電手段主要有市電供電、油機供電、硅整流發電機供電以及蓄電池供電。各供電電源有不同的特點，市電供電穩定、可靠，但是只能在駐車情況下取電，使用存在一定的限制；油機能在機動條件下供電，但是輸出的電品質較差；硅整流發電機需要在載車啟動后才能工作；蓄電池供電時長受電池容量限制。當市電正常時，優先使用市電供電，經過交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）輸出為業務系統供電，同時為車載蓄電池組充電。在行車、野外等無法提供市電輸入時，綜合電源系統選擇油機給負載供電，同時給蓄電池充電。為達到不間斷供電，保持通信順暢和保存運行數據；在市電和油機切換過程中，由硅整流發電機或車載蓄電池線性穩壓給設備供電[2]。綜合電源組如圖1 所示。

圖1 車載綜合電源

1.2 電磁兼容概述

所謂電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）指電子設備處在公共的電磁環境，能正常工作不會出現相互干擾，達到一種共存并不致引起降級的狀態[3]。

隨著電子通信技術的不斷進步，現代通信車、艦船、飛機等裝備向著高頻化、高靈敏度、高集成度以及高安裝密度的方向發展，在有限空間內集成的通信設備數量越來越多，裝備的性能得到了很大提升，但設備之間互相干擾的EMC 問題也日趨嚴重。因此，解決好EMC 問題，防止其影響裝備性能的有效發揮越來越重要。

例如，某通信車的一款大功率無線通信設備，在進行大功率發射時，有可能干擾到車內綜合電源的正常工作，使綜合電源檢測到誤告警信號而自動切斷電源輸出，導致車內通信系統完全癱瘓。經過分析，造成上述問題的原因主要是綜合電源的EMC 性能不足，沒有很好的濾波設計，使得無線通信設備發射時產生的干擾信號通過電源電纜傳導到綜合電源內部取樣電路，干擾到綜合電源取樣信號，導致綜合電源斷電。

車載綜合電源的核心為開關電源模塊，開關電源的工作原理是利用高速開關管，實現電源電壓的變換。根據傅里葉變換，這種開關產生的強脈沖信號會帶來很多的高次諧波成分，使得電源成為一個很強的干擾源[3]。

2 車載綜合電源的電磁兼容設計

綜合電源在研制初期就應該充分考慮EMC 設計，減少后期試驗過程中出現相關問題的風險。干擾信號的主要耦合途徑是輻射和傳導。因此，在車載綜合電源設計初期，重點考慮屏蔽和濾波等設計。

2.1 車載綜合電源的結構設計

車載綜合電源采用鋁型材機箱，機箱面板和蓋板通過螺釘緊固。因一般完全密閉的金屬型材在高頻基本都能實現100 dB 以上的屏蔽效果，所以車載電源電源EMC 結構設計的重點是減小機箱與蓋板之間的孔縫[4]。機箱與蓋板通過螺釘固定后，螺釘的壓力不均會導致蓋板發生一定的形變，在機箱與蓋板之間會形成縫隙。縫隙是影響金屬機箱屏蔽效能的重要因素[5]。

縫隙設計的準則是單個空隙L的最大尺寸為λ/10 ～λ/100，一般不會存在電磁泄漏的問題[4]。因本電源模塊的開關頻率在120 kHz 附近，考慮諧波等因素，干擾頻率也一般不會超過100 MHz，因此選擇機箱安裝螺釘的間隔不大于λ/30。

此外，可通過以下措施提升綜合電源的屏蔽性能：（1）在電源外部連接器與機箱間添加導電襯墊，提高接插件的密封性減小孔口；（2）在機箱與蓋板接觸面壓接指型簧片，保證機箱導電的連續性，不至于引起輻射發射；（3）對起屏蔽作用的金屬件進行導電氧化處理，增加導電性能。

2.2 車載綜合電源的濾波設計

通過機箱的屏蔽設計能有效抑制噪聲的空間輻射干擾，但對于綜合電源輸入輸出電纜傳導的路徑，只能通過濾波設計切斷傳播。

不用元素的對稱性，對圖3上圖的A5陣進行含規格化的高斯消元后可得圖3下圖的陣。其中，對第1行的4個元素規格化，再第1列元素消元，需計算4*4=16個元素；對第2行的3個元素規格化，再對第2列元素消元，需計算3*3=9個元素；對第3行的2個元素規格化，再對第3列元素消元，需計算2*2=4個元素；對第4行的1個元素規格化，再對第4列元素消元，需計算1個元素。因此，不用元素的對稱性所得到圖3下圖的陣，需規格化10個元素，計算30個元素。

接口濾波器的應用可以有效抑制電源內部開關噪聲向外界傳導，也可以抵御外部環境傳遞過來的干擾信號。因此，電源接口濾波器是車載綜合電源系統的重要組成部分。

電源接口濾波器是以抑制干擾信號為目的，這就決定了濾波器的工作原理，它必須要讓干擾信號盡可能失配。一般干擾信號的頻率相對較高，電容有高頻低阻，電感有高頻高阻的特性，將電感、電容以不同的形式進行搭配組合，就可以構成幾種常見的濾波器模型，如L 型、T 型和π 型。

電源接口濾波器與常規低通濾波器的區別在于，常規低通濾波器關注的是幅頻特性、相位特性、群延時等，而電源接口濾波器關注的是插入損耗、能量衰減等。一般情況下，常規濾波器的工作電壓低，工作電流小，源端和負載特性單一，電源接口濾波器的工作電壓高，額定電流比較大，耐沖擊電流能力強，使電源接口濾波器不能完全參照一般濾波器設計。

經過帶入多種市場常見的電容電感參數，使用Filter Solutions 軟件進行多次仿真，得出了滿足濾波器體積和插入損耗要求的濾波電路。交流濾波電路如圖2 所示，直流濾波電路如圖3 所示。

圖2 交流濾波電路

圖3 直流濾波電路

3 車載綜合電源電磁兼容整改

車載電源設計完成后，需要通過EMC 測試來檢驗其EMC 性能能否滿足要求[6]。對車載電源樣機進行了CE102、CS101、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103 共7 項電磁兼容測試，測試結果為6 項滿足要求（CE102 除外）。該項測試主要是考核電源對外輸出的傳導干擾，這種干擾有可能污染電網環境或干擾車內其他裝備工作。車載電源在10 ～20 kHz 頻段出現了超標問題，在10.4 kHz 和18 kHz 頻點分別超標約3 dB 和6.3 dB。

增加X 電容的基本原理是，在干擾傳出車載分布式電源之前，提供一條低阻釋放的路徑，將信號提前引回源端，從而避免干擾溢出。

車載電源幾個超標頻點是10.4 kHz、18 kHz，相對來說頻率較低，仿真受高頻分布參數的影響較小，使用Filter Solutions 軟件對濾波器性能仿真的結果接近于真實值，因此先使用Filter Solutions 軟件仿真，達到插入損耗的基本要求后，再根據仿真的電路形式對交流濾波器進行整改和復測。

考慮大電容濾低頻的特性，首先在電感前加一個常見較大容值的3.3 μF 電容。通過仿真，這時交流濾波器在這2 個頻點的插入損耗分別變為31 dB、36 dB，相當于濾波器抑制干擾的性能在這2 個頻點分別提高5 dB。考慮實際測試結果還會受到其他因素的影響，如源阻抗、負載阻抗和高頻參數不是理想值，滿載加電電容和電感性能會發生改變，溫度也有可能使器件性能下降等客觀因素。整改需要留一定裕度，插入損耗需要設計的更高，因此必須繼續再增加一級X 電容。

增加兩級X 電容后仿真，這時交流濾波器在10.4 kHz、18 kHz 頻點的插入損耗變為41 dB、45 dB，相當于濾波器性能在這2 個頻點分別提高了10 dB、9 dB。按照仿真結果，車載電源這2 個頻點干擾值應該低于測試極限并且有一定安全裕度。于是按加兩級X 電容的方式對車載電源濾波器進行整改和復測，復測結果如圖4 所示。

圖4 車載電源CE102 復測結果

采用以上整改措施后，車載分布式電源順利通過了CE102 測試。

4 結 論

文章簡單介紹了通信車車載綜綜合電源組成原理和車載電磁兼容設計的意義，介紹了綜合電源屏蔽、濾波等電磁兼容預設計的方法，重點敘述了電磁兼容超標時的整改過程。文章對電源類產品電磁兼容性設計及整改具有一定指導意義。