提高燃料电池测试设备抗EMI能力的应用研究

2010-07-03张焕文杜祺漳梁柱扬何炳林

电子产品可靠性与环境试验 2010年3期

张焕文，杜祺漳，梁柱扬，何炳林

（广东省电子技术研究所，广东广州 510630）

1 引言

电磁兼容是一门综合性学科，它主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。电磁兼容性（EMC）是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下不因电磁干扰而降低性能指标，同时它们本身产生的电磁辐射不大于设定的极限电平，不影响其它电子设备或系统的正常运行，并达到部件与部件、设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠工作的目的。

在燃料电池测试设备中，气体控制部分采用了电磁阀、循环控制器和质量流量控制器等控制部件；在液体控制中采用了泵、加热管和可控硅等控制部件；在电子负载单元中，采用了高速时钟电路；在电路控制单元中采用了低频模拟电路、大电流控制电路和小信号控制电路等技术。在所有这些控制部件中不乏电磁辐射信号源和电磁干扰敏感部件，因此，在整个系统的设计中，如果设计不恰当，就将导致系统工作不稳定，设备可靠性不高的问题。

2 系统概况

燃料电池测试设备主要包括氢气、氧气两路气体对燃料电池进行供气，两路气体分别通过电磁阀、质量流量控制器、加湿器和加热器控制，最后进入燃料电池阴阳极气体入口。在加湿器和加热器的工作过程中，去离子水通过水泵给加湿器供水，加热器通过温控电路和可控硅对水进行加热控制。燃料电池阴阳极供气后，电池产生电压。燃料电池通过电子负载单元进行工况模拟测试，电路控制单元主要控制电磁阀、质量流量控制器、可控硅和水泵等部件（设备系统示意图如图1所示）。

在系统工作的过程中，电磁阀、质量流量控制器、水泵和可控硅等部件都是电磁辐射信号源，对电子负载单元、电路控制单元电路等敏感电路有较大的干扰，因此，在系统设计特别是电子负载单元和电路控制单元的设计上，需要进行全面的电磁兼容设计，以保证系统能稳定、可靠地工作。

3 燃料电池测试设备的电磁兼容设计

3.1 电子负载中的高速时钟电路产生电磁干扰的应对措施

在电子负载单元CPU控制板中，ARM7嵌入式单片机采用100 Mhz时钟信号，属于高速数字电路，此高速时钟不但是电磁辐射最主要的信号源，也是高度敏感元件。由于高速电路数据快速传输和处理产生的信号有很高的重复频率和脉冲上升时间，因此高频谐波非常显著，很容易对外进行空间辐射干扰，而且本身电路的抗干扰能力也比较弱，因此设计好时钟电路，是保证CPU控制板达到电磁辐射指标的关键。

a）抑制电磁干扰信号源

抑制电磁干扰信号源采用以下方法：1）CPU控制板的电路板进行恰当的布线，布线层应安排与整块金属平面相邻（这是为了产生通量对消作用）；2）在电路板布线时，时钟高频电路远离敏感电路；3）CPU板在设计上选择逻辑器件时，尽量选用脉冲时序上升时间较长的器件，决不能选比电路要求时序快的逻辑器件；4）为了减小终端辐射引起的时钟信号抖动或者过冲，采用电阻串联、电阻并联、戴维南网络等阻抗匹配方法，计算和控制信号传输延迟时间和阻抗匹配情况[1]。

b）切断传播路径

采用金属屏蔽机箱，对CPU控制板进行辐射屏蔽，切断电磁辐射通过空间进行干扰的双向传播途经。金属机箱不但减小CPU控制板时钟电路的对外电磁辐射的强度，也提高了CPU控制板本身的抗干扰能力。金属屏蔽机箱设计的原则是金属板应尽量地密封，即使无法密封的开口或缝隙也要尽量地小，以保证金属机箱的屏蔽效果（金属屏蔽机箱示意图如图2所示）。

图1 燃料电池测试设备

图2 金属屏蔽机箱

3.2 在电路控制单元中，抑制感性负载电磁干扰信号的方法

在燃料电池测试设备中，电路控制单元的控制对象大多数为感性负载，比如电磁阀、可控硅和水泵。由于部件负载电流比较大，在开关接通瞬间，将产生较大的直流电流和交流电流，这种较大的电流通过电源线和地线对自身部件和相关联部件产生直接的干扰，同时在电源线和地线周围空间产生干扰电磁场。另外，由于在负载导通期间，载流子充满负载元件内部，当负载关断时，正向电压降为零，但内部尚存留着载流子，因此这些载流子在反向电压的作用下，出现瞬间的反向大电流，使得载流子瞬间消失，反向电流也消失得极快，导致di/dt极大，从而产生极大的反向电势。这个反向电势和正向电压串联，反向加在负载上，又因为反向电势一般可达到正常工作电压的5-7倍，因此可能导致负载被击穿或损坏。

采用阻容吸收电路可有效地抑制反向关断电压的电磁干扰（如图3所示）。在阻容吸收电路中，电容器把过电压的电磁能量转变成静电容量进行存储，电阻可防止电容与电感产生谐振、限制负载开通损耗和电流上升率。

图3 阻容吸收电路

3.3 整机电力系统工频谐波电磁干扰的应对措施

在燃料电池测试设备的50 Hz交流信号中，夹杂着不同频率的多次谐波干扰信号，这些干扰信号如果处理不好，就将有可能通过直流电源传播到直流电路系统，给电路工作带来不稳定因素。

a）在交流电源的入口，接入交流EMI滤波电路（如图4所示）。因为有害的电磁干扰多次谐波频率要比正常的信号频率高得多，所以EMI滤波器是通过选择性地阻拦或分流有害的高频来发挥作用的。电磁干扰滤波器的感应部分被设计作为一个低通器件使交流线路频率通过，同时它还是一个高频截止器件。电磁干扰滤波器的其它部分使用电容来分路或分流有害的高频噪声，使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路。最终的结果是，电磁干扰滤波器显著地降低或衰减了所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号[2]。

图4 交流EMI滤波电路

b）设备内部系统布线时，交流电源线和其它线路分别走线，避免交流电源线和其它线路平行走线，防止交相邻两条平行线之间进行互相耦合串扰。

3.4 直流供电电源抗干扰措施

由于燃料电池测试设备中的电子负载内部既有数字电路、也有模拟电路，因此，如果电源和地线处理不当，可能产生相互之间的干扰。以下为直流供电电源在设计上的抗电磁干扰措施。

a）数字电源和模拟电源相互隔离，有效地抑制了数字电源和模拟电源之间的差模干扰；在数字电源地线和模拟电源地线的接入口，采用铁氧体进行连接，保证数字地和模拟地参考电平一致，有效地抑制相互之间由于电源隔离引起的共模干扰。

b）在关键的元器件比如CPU、AD转换器、DA转换器和基准电压芯片等器件的电源入口，在电路设计时采用电感电容网络对输入电源进行保护（如图5所示）。电容的作用是去耦，可过滤高频干扰信号。电感的作用是，提高线路端阻抗，防止电源由于电磁干扰引起的低频波动对器件工作产生影响 [3]。

图5 电感电容网络

3.5 低频模拟信号和低速数字信号传输的抗电磁干扰设计

a）差分传输

在燃料电池测试设备中，电流、电压等低频模拟信号在设计上采用差分信号传输，内部电路板之间通信也采用低速数字差分信号RS485通信技术进行传输，抗共模噪声干扰的能力大大增强。

b）传输线屏蔽

电流、电压等差分模拟信号以及RS485等差分数字信号，在传输介质上采用阻抗相匹配的双绞电缆进行传输，同时双绞电缆采用金属屏蔽层进行屏蔽，屏蔽层单端接地（如图6所示）。传输线通过双绞可提高传输线的信噪比，屏蔽层可有效地屏蔽外来的噪声干扰，单端接地的目的是防止长距离传输时，地两端由于可能的压差导致屏蔽层产生电流，对内部双绞线形成一个干扰源。