舰船电力电子设备电磁干扰控制措施研究

徐 平，万海军，张 勇，刘正伟

（海军装备研究院标准规范研究所，上海 200235）

舰船电力电子设备电磁干扰控制措施研究

徐 平，万海军，张 勇，刘正伟

（海军装备研究院标准规范研究所，上海 200235）

现代化舰船大量使用电力电子设备，其在高效指挥和控制现代化舰船的过程中，由于其自身的电磁特性，必然会带来电磁干扰问题，使得舰船上的电磁环境变得更加复杂，因此必须采取措施控制其产生的电磁干扰。首先介绍了电力电子设备电磁干扰产生的机理，然后从EMI滤波、机箱屏蔽、电路板抗干扰设计、接地和电路隔离等几个方面，对电力电子设备电磁干扰控制措施进行了分析研究。这些方面的研究可以为舰船电力电子设备的电磁兼容性设计提供技术指导。

舰船；电力电子设备；电磁兼容性；电磁干扰；滤波；屏蔽

现代化舰船是未来海军信息化作战的主要武器平台，其有限空间内的电磁环境复杂，电磁频谱覆盖范围宽，其电力电子设备极易产生并遭受各类型电磁干扰的影响，严重情况下会导致设备或系统失灵，甚至可能产生致命的故障或事故。电力电子设备由于其自身的电磁特性，其在高效指挥和控制现代化舰船的过程中，又成为舰船上最主要的电磁干扰源和受扰设备。因此，舰船电力电子设备的电磁干扰控制成为目前提升舰船综合作战效能一个迫切需要解决的问题。

舰船电力电子设备产生的电磁干扰主要包括3个方面的基本要素：电磁干扰源、敏感设备（即对干扰源产生的干扰能量敏感的接收设备）和耦合途径（包括辐射耦合、传导耦合），具体如图1所示。因此，要解决电力电子设备的电磁干扰问题就需要对这3个要素进行控制。基本方式是：1）对电磁干扰源的电磁特性进行分析，控制并抑制其产生的干扰信号；2）对舰船上的关键性接收设备进行加固处理，增强敏感设备的抗干扰能力；3）对电磁信号的传播方式进行研究，切断或阻碍干扰信号的传播途径。具体控制措施包括：EMI滤波、机箱屏蔽、印制电路板（PCB）抗干扰设计、接地和电路隔离等［1］。

1 EMI滤波

图1 抑制电磁干扰的三种方式

传导干扰是舰船电力电子设备产生的一种典型电磁干扰，具体可分为共模干扰和差模干扰，这两种形式的电磁干扰使用EMI滤波技术进行抑制是目前普遍采用的措施。图2是用于抑制开关电源传导干扰的EMI无源滤波器（低通滤波器）的基本电路结构［2－3］，其可以有效解决电源线的电磁干扰问题。

实际设计和选用EMI滤波器一定要综合考虑共模滤波电路和差模滤波电路，具体步骤如下：1）采用EMI测量接收机测量传导干扰，主要是CE101（25 Hz～10 k Hz电源线传导发射）和CE102（10 k Hz～10 MHz电源线传导发射）项目；2）根据工程实际选择电磁兼容性标准，并与标准要求的限值进行对比；3）针对超标情况，选择对超标信号或超过实际工程应用所需信号的幅值和频带有抑制作用的电源滤波器。

图3给出一个工程应用实例，某型号舰船显控台配电箱在进行电磁兼容性试验时，CE102测试数据超出GJB151A—97规定的极限（曲线1）［4］。为此，针对超限值信号特点进行分析，选择对幅值和频带抑制条件合适的EMI滤波器，加装该滤波器以后，测试合格（曲线2）。

图2 EMI无源滤波器基本电路结构

2 机箱屏蔽

屏蔽技术在舰船电力电子设备机箱设计中应用非常广泛，其主要作用是尽量减少电磁干扰向外界辐射的强度，最大优点是不会影响电力电子设备整体电路的设计和正常工作。屏蔽技术可分为对辐射电磁波部位的屏蔽和易受电磁波影响的元器件的屏蔽。以开关电源为例，变压器、电感器、功率器件等都是易于辐射电磁波的元器件，采用的屏蔽措施是在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽隔层，以使电磁波产生衰减。此外，为阻止或较少辐射干扰向外部发散，还应采取整体屏蔽措施；运用整体屏蔽措施时，应充分考虑屏蔽材料的导电性、屏蔽材料的接缝、导线的I／O接口、散热和结构成本等方面的因素。

图3 配电箱CE102（传导发射）测试数据图

对机箱进行屏蔽处理一般采用以下几种方式。1）机箱整体表面：导电复合塑料或导电薄膜［5］包覆；2）机箱接缝：在密封槽内安装导电衬垫，以保证机箱电气上的连续性；3）风孔：在孔面覆盖金属丝网或采用穿孔金属板；4）显示器、键盘等：采用导电涂覆或带有金属丝网的透明玻璃、屏蔽玻璃；5）连接器、开关、指示灯等：在其相应位置后面加装屏蔽罩。具体如图4所示。

图4 典型舰船电力电子设备机箱结构示意图

3 电路板抗干扰设计

由于舰船电力电子设备工作在复杂的电磁环境中，因此在进行电路板设计时尤其需要考虑电路板布局、布线及接地等方面的抗干扰措施，以减小电路板产生的电磁辐射和电路板上电路之间的相互串扰。

1）电路板布局

电路板布局的流程如图5所示。①首先考虑电路板的尺寸与形状，原则是保证邻近电路不受干扰的前提下减小尺寸，以控制成本和提高抗噪声能力；电路板的最佳形状为矩形，长宽比为3∶2或4∶3；②确定特殊元器件（如信号产生器、晶振等）的核心位置；③以电路主要功能单元为基础，对其他元器件进行布局；同时考虑元器件之间的分布参数，元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在电路板上，各元器件之间的引线和连接取最捷路径。

2）电路板布线

电路板布线的规则是减小高频电流环路包围的面积和高导体的面积，以降低电磁干扰电平。以开关电源设计为例，主要方法有：①使用电磁场分析软件（如Ansoft）提取寄生电阻、电感、电容等寄生参数，代入电路分析软件（如Pspice）进行电路仿真，最后得出对电磁兼容性影响最重要的参数；②用电磁场计算软件提取电路板的杂散参数，用高频阻抗分析仪测量无源元件的高频寄生参数，建立完整的开关电源传导干扰模型，再利用仿真软件进行电磁干扰预测［6］。

图5 电路板布局最佳流程

4 接地和电路隔离

4．1 接地

接地处理是抑制电力电子设备电磁干扰的重要方法之一，主要包括：安全接地（金属机壳机架接地）、工作接地（系统地线）和屏蔽接地（电缆、变压器等屏蔽层接地）。其中，工作接地是舰船电力电子设备设计中尤其需要关注的；此外，接地处理时还应综合考虑以下几点。1）采用“浮地”技术将交流与直流电源地分开，隔离来自交流电源地线的干扰；2）模拟电路与数字电路的电源地分开以抑制数字芯片的干扰；3）功率地与弱电地分开；4）多点接地技术应用以保证屏蔽层上有最低的地电位［7］；5）敏感电路、数据采集电路悬浮地处理，I／O信号电路光耦隔离以保证电路不受电磁干扰影响。

4．2 电路隔离

图6 带屏蔽层的隔离变压器示意图

为抑制舰船电力电子设备的噪声干扰，常采用的电路隔离方式有3种：模拟电路的隔离、数字电路的隔离和数／模电路之间的隔离［8］。

1）模拟电路的隔离：舰船供电电网上接入的电力电子设备众多，极易产生各种类型的谐波、雷击浪涌和高频噪声等干扰。主要的抑制措施是使用带有屏蔽层的电源变压器进行电路隔离，如图6所示；2）数字电路的隔离：数字输入系统采用脉冲变压器、光电耦合器隔离，数字输出系统则采用光电耦合器、继电器隔离，特殊情况采用高频变压器隔离；3）数／模电路之间的隔离：这是舰船电力电子设备最常用到的一种电路隔离方式。由于数字电路中的高频信号会对模拟电路造成干扰，因此一般采用图7所示的隔离电路进行处理。在前置处理电路与A／D转换电路之间加入线性隔离放大器，把信号地与模拟地隔开；同时在A／D转换电路和数字电路之间采用光电耦合器隔离，把模拟地与数字地隔开。

5 结 语

图7 数／模电路的隔离处理电路

现代化舰船是一个复杂的综合作战平台，由于电力电子设备的广泛应用，使得有限空间内的电磁环境变得更加复杂。为了保证舰船电力电子设备的正常工作以及综合作战效能的充分发挥，必须从整体的角度采取各方面的措施来控制电磁干扰。本文首先介绍了电力电子设备电磁干扰产生的机理，然后从EMI滤波、机箱屏蔽、电路板抗干扰设计、接地和电路隔离等几个方面，对电力电子设备电磁干扰控制措施进行了分析研究。这些方面的研究可以为舰船电力电子设备的电磁兼容性设计提供技术指导。

［1］ 杨继深．电磁兼容技术之产品研发与认证［M］．北京：电子工业出版社，2005．

［2］ 宋福根．高频开关电源有源EMI滤波器应用研究［J］．电工电气，2009（4）：31－33．

［3］ 王敬斌．开关电源的电磁干扰及抑制技术［J］．电子测试，2009（3）：28－31．

［4］ GJB 151A－97，军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求［S］．

［5］ 史广伟，孙丽萍．电子设备的电磁屏蔽设计及复合材料屏蔽检测的应用［J］．制造业自动化，2011，33：（3）215－217．

［6］ 吴 昕，钱照明，庞敏熙．开关电源印刷电路板电磁兼容问题的研究［J］．电子与信息学报，2001，23（2）：181－186．

［7］ 梁瑞麟．舰船电子设备的电磁兼容性技术实践［J］．舰船电子对抗，2004，27（6）：43－46．

［8］ 胡俊达，杨跃龙．电磁兼容技术在电子电信设备中的应用［J］．电子质量，2004（1）：26－29．

TN97

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1008－1542（2011）12－0030－03

2011－06－20；责任编辑：陈书欣

徐 平（1981－），男，湖北随州人，工程师，硕士，主要从事电磁兼容性研究检测、数字化测试诸方面的研究。