船用电气电子设备电磁兼容共性问题及解决方案

王 军， 刘 雄， 刘 红， 琚格格

(1.中国船级社 武汉分社， 湖北 武汉430205；2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所， 湖北 武汉430205)

0 引 言

目前船用电气电子设备主要依据中国船级社(简称CCS)制定的GD 01-2006《电气电子产品型式认可试验指南》(该指南的更新升级版本GD 22-2015《电气电子产品型式认可试验指南》已发布，新旧指南在测试项目、测试方法和测试要求上并无本质区别。本文的分析内容虽以旧版本GD 01-2006指南为基础支撑，却同样适用于依据GD 22-2015新指南进行型式认可的电气电子产品)进行电磁兼容性型式认可试验，该试验指南包括具体的测试项目以及相应的测试方法和测试要求。

产品在EMC检测认证过程中如果出现反复测试、多次整改的情况，设备厂商将承担大量超出预算的检测认证费用，同时，项目也可能因此延迟交付。CCS联合中国船舶工业武汉机电产品环境与可靠性试验检测中心(简称“检测中心”)对其长期累积的检测数据进行统计分析，总结产品在试验过程中易出现的普遍问题。对这些问题的分析总结，可为其他产品的电磁兼容性设计提供参考，使其能一次性通过EMC检测认证。

检测中心于2014年1月-2016年6月共完成53台(套)民船电气电子设备的EMC检测认证，其中13台(套)设备出现了电磁干扰现象。在这些不合格产品中出现不合格测试项的总次数为17次，其中传导发射次数为4次，端口辐射发射次数为10次，浪涌抗扰度次数为1次，电快速瞬变脉冲群抗扰度次数为1次、静电放电抗扰度次数为1次。具体如图1所示。

图1 不合格项次数统计

由图1可知，发射测量试验在不合格测试项目中占较大比重。本文重点分析发射测量试验项目的实质、试验故障产生的原因，并结合实际案例总结电气电子产品EMC设计防护的注意事项。

1 发射骚扰测量的实质

发射测量的目的是通过测试对电气电子设备的骚扰发射进行符合性判断，防止其对其他电子设备产生不良影响。从骚扰能量的发射途径上划分，骚扰发射分为传导性发射和辐射性发射。

1.1 传导发射测量实质

传导发射测量是测量电气电子设备所产生的并出现在其供电端口(交流和直流)的任何信号。这些信号能在船舶供电系统中传导，从而可能骚扰其他设备。该测试的目的是保障船上配电系统的电源质量。传导测量的测试框图如图2所示。

图2 传导测试框图

图2中曲线1和曲线2为受试设备(Equipment Under Test， EUT)电源线上干扰信号主要回路。测量接收机信号输入端与图中“测量接收机输入端”相连，接收机输入端口阻抗为50 Ω，接收机上最终的测试结果是线路阻抗稳定网络 (Line Impedance Stabilization Network， LISN)中1 kΩ电阻与接收机50 Ω内阻并联后的等效电阻上的电压。因此，要控制接收机上的最终测试结果，需控制流过该等效电阻上的电流，这是控制传导发射的关键[1]。

1.2 外端口辐射发射测量实质

外端口辐射发射测量是测量电气电子设备产生的电磁场干扰信号，其目的是对电气电子设备的辐射发射进行符合性验证，以保障船上电气电子设备不会相互干扰。辐射发射测量的实质是测量产品中两种等效天线所产生的辐射信号强度，第一种等效天线模型是信号回路，第二种等效天线模型是单极天线(或对称偶极子天线)。最终的测量结果主要由两部分相加得到，一部分是接收机测量到的接收天线感应到的电场强度，另一部分为该天线的天线系数。

2 分析设备发射干扰产生的原因

2.1 传导发射干扰产生的原因

传导发射按照产生发射的机理分为谐波发射和射频发射。谐波发射是指交流电的谐波成分的发射，其产生的主要原因是设备的非线性导致的工作电压、电流的畸变；射频发射是更高频率的骚扰成分，这些骚扰成分主要来自于开关电源的频繁切换以及数字电路高低电平的转换、感性负载的切换等。另外，供电电源线也可能感应外部空间的辐射干扰而产生射频传导干扰。

2.2 辐射发射干扰产生的原因

电气电子产品产生辐射发射的两个必要条件是驱动源和辐射发射天线。驱动源包括系统内各个电路正常工作时产生的有用信号源和由于产品中存在的未知信息(包括线路之间的寄生电感、寄生电容等)在等效天线中感应寄生的干扰信号；辐射发射天线主要包括产品电路板上环路等效天线和单极等效天线(或对称偶极子天线)。满足以上两个必要条件后，产品在工作时就会向空间环境辐射信号。

3 骚扰发射测量应对措施

传导发射测量和辐射发射测量都是测量产品自身向周围环境传递出的电磁能量，测试值过高会对邻近的无线接收设备或灵敏设备造成干扰。

3.1 传导发射的抑制方法

电源线上的高次谐波和电源线上感应的共模、差模干扰信号是引起测试结果不满足电磁兼容标准要求的主要原因，而抑制流过等效电阻上的电流是控制传导发射的关键。结合实验室实际检测情况，主要的措施方法包括：滤波处理、接地处理、部件结构布局调整。

3.1.1 滤波处理

滤波处理的主要目的是通过滤波处理，为骚扰信号提供合适的电流回路从而减少流过等效电阻的电流。由于电路系统中任何部分的骚扰信号都可能通过耦合的方式对输入电源线产生影响，因此在产品电路的各个设计模块中都应加入滤波处理。目前实验室有记录的传导发射超标的整改措施都是选择更换合适的电源滤波器。具体情况如表1所示。

表1 样品传导发射测试情况

表1为传导发射超标实例，其中包括检测产品的名称、超标情况、初测结果、复测结果、整改措施。在实际工程中，即便工程师知道需在电路的输入端或电源线上安装电源滤波器，但在很多情况下按照设计制作的滤波器在实际测试中的效果却并不理想。这是因为工程师可能没有注意以下几点：

(1) 滤波电容的不理想性。在选择滤波电容时需根据实际情况结合电容器的串联谐振点选择合适的滤波电容。

(2) 滤波电感的不理想性。在选择滤波电感时需根据实际情况结合电感器的并联谐振点选择合适的滤波电感。

在滤波器的选用和安装过程中需考虑以下几个方面：

(1) 电源线滤波器可选用具有共模与差模滤波元件的组合式集成电源线滤波模块，其集成封装的结构可以避免由于滤波模块内部电磁泄漏带来的干扰问题。

(2) 在所要求的频率范围内，滤波器的阻抗必须与其连接的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配：如果负载是高阻抗，则滤波器的输出阻抗需为低阻抗；如果负载是低阻抗，则滤波器的输出阻抗则需为高阻抗。

(3) 滤波器必须具有一定的耐压能力，能够经受输入瞬时高压的冲击。

(4) 根据电子设备的电流消耗，选择的电源线滤波器应具有较大的额定电流。

(5) 电源线滤波器需有较好的高频特性以免引起电源线的辐射发射和设备抗高频干扰能力的下降。

(6) 在滤波器的安装过程中：滤波器的接地点应与设备机壳的接地点相连，并尽量缩短接地线；若滤波器喷过漆，则必须刮去漆皮；滤波器需安装在设备电源线输入端，连线需尽量短；滤波器输入线和输出线应尽可能分离[2]。

3.1.2 接地处理

接地处理的目的是通过合适的接地方式，为电路系统中的骚扰信号提供合适的闭环回路，使骚扰信号尽可能少地流过等效电阻。该处理方式需首先定位骚扰源，然后通过地线短接的方式，为地线上的骚扰源提供完整的闭环回路，从而减少流过真正地线的电流。在测试配置时，需注意将接地线与电源线一起走线，不能按“就近接地方式”，以免造成较大的环路而接收到骚扰信号[3]。

3.1.3 结构调整

调整系统中相关部件的位置或形状的主要目的是通过调整系统中容易产生信号耦合的部件的位置或形状，减少该部件通过耦合方式向电源线或地线进行耦合骚扰，从而规避由信号耦合造成的传导发射超标。

综上所述，传导测试的实质是控制流过等效电阻中的电流，因此无论是采取滤波方式还是接地处理亦或是调整设备的结构，只要能控制流过等效电阻的电流都将是行之有效的处理措施。

3.2 辐射发射的抑制方法

发生辐射骚扰问题需同时满足3个条件：骚扰源、敏感源和传播路径。从抑制辐射骚扰的角度，可以从骚扰源和传播路径两方面采取措施对辐射骚扰进行抑制。对于骚扰源的控制，需从电路结构和电路板的设计方面入手；对于传播路径的处理，主要采取屏蔽和滤波处理。

辐射发射抑制的具体措施包括对机箱进行屏蔽处理、对线缆进行屏蔽滤波处理、设计良好的线路板、设计良好的电路，如图3所示。

图3 辐射发射抑制措施

实验室对辐射超标设备的记录情况如表2所示，包括产品名称、辐射发射超标范围、整改措施。由表2可知，超标频率的范围较广，但整改措施总体分为两类：一类是对机箱进行屏蔽处理；另一类是对线缆进行屏蔽处理。这是因为产品进行电磁兼容试验时已经完成产品的功能和性能检测，处于产品研制的后期，很难从电路部分对产品的电磁兼容性进行整改，只能采用屏蔽的方式对产品进行处理。

表2 样品辐射发射测试情况

续表2 样品辐射发射测试情况

3.2.1 机箱屏蔽处理

电气电子设备工作时会向周围环境辐射电磁能量，频率越高就越容易产生电磁辐射。如果设备采用金属机箱，或在塑料机箱内喷涂一层金属作为屏蔽层，则电磁能量可能会被限制在设备内部，限制的程度取决于机箱的屏蔽效能。如果机箱上有较大的孔或较长的缝隙，则屏蔽效能会大幅下降，产生电磁能量泄漏。根据电磁理论，这些孔缝相当于1个二次发射天线，当这些孔缝的长度等于半波长的整数倍时，泄漏能量最大。对于固定的孔缝，频率越高，泄漏越严重。一般要求孔缝长度应为：l<λ/50，l为孔缝尺寸，λ为设备内可能辐射的最高频率的波长[4]。

电磁辐射的泄漏点可通过近场磁场探头沿机壳孔缝移动进行定位，如果在某个孔缝处发现较大的泄漏场强，可通过临时在该处添加导电衬底、采用波导设计、缩短连接螺丝的间距等措施进行改进。

以激光陀螺仪设备为例说明机箱屏蔽处理在抑制电磁辐射发射方面的作用。该产品要求按照GD 01(3.3)及相关测量方法进行试验。试验范围：150 kHz～2 GHz，以准峰值检波方式进行测量。试验限值按一般配电区限值EMC 2限值进行试验。初次测试时在3～4 MHz，30～450 MHz等频段内有超标现象。测试结果如图4所示。

图4 激光陀螺仪设备辐射发射不合格

对机箱壳体进行屏蔽处理，对壳体添加导电橡胶圈，重新测试，测试结果符合标准限值要求，具体如图5所示。

图5 激光陀螺仪设备辐射发射合格

3.2.2 线缆处理

电缆产生辐射的机理主要有两种：一种是电缆中的信号回路产生的差模辐射；另一种是电缆上的共模电流产生的共模辐射。由于信号线与回线之间的距离很小，由此形成的差模电流面积也很小，因此差模辐射往往不是主要的辐射因素。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路是由电缆与参考地及杂散电容构成的，因此具有较大的环路面积，会产生较强的辐射。

根据电缆共模辐射机理，常采用以下方式控制电缆共模辐射：

(1) 尽量控制电缆长度并使电缆长度小于波长的一半以下。

(2) 在电缆上串联共模扼流圈增加共模电流回路的阻抗从而减小共模电流。

(3) 减小共模电压。可以从以下几个方面控制电缆上的共模电压：①采取各种措施降低地线的阻抗，降低地线上的噪声电压，从而降低外拖电缆上的共模电压；②强干扰电路远离I/O端口；③屏蔽内部电缆。当内部电缆较长时，其更容易感应上较高的共模电压，这时可以将内部电缆屏蔽起来，屏蔽层与金属机箱用低阻抗连接起来。

(4) 电缆屏蔽。其目的是为共模电流提供1条低阻抗的路径，使共模电流环路面积较小。该方法的核心有两点：其一，用屏蔽电缆控制电缆共模辐射的本质是减小共模电流的回路面积，具体如图6所示；其二是屏蔽层必须有很低的阻抗[5]。

图6 共模电流回路面积示例

以某研制单位研发的火灾报警系统为例，说明线缆屏蔽处理在抑制电磁辐射发射方面的作用。该产品按照GD 01(3.3)及相关测量方法进行试验。试验范围：150 kHz～2 GHz，以准峰值进行测量。试验限值按一般配电区限值EMC 2进行试验。初次测试时在4～200 MHz频段超标，最大超标幅度为7 dB。测试结果如图7所示。

图7 火灾报警系统辐射发射不合格

对线缆进行屏蔽处理，对电缆套防波套管，重新测试，测试结果符合标准限值要求，具体如图8所示。

图8 火灾报警系统辐射发射合格

3.2.3 良好的线路板设计

线路板设计的核心是减小信号电流的回路面积，降低地线上的共模电压，对强辐射源电路进行局部屏蔽，常用方法如下：

(1) 使用多层线路板为数字电路设置地线面与电源线面，为高频脉冲信号提供最小的回路面积，降低电源线上的噪声，从而降低电缆上的共模电流。

(2) 地线面上避免有长缝隙，以防其截断信号回路路径，使回路面积增加。

(3) 采用网格地的地线，降低电缆上的共模电流。

(4) 芯片旁的储能电容与所供电的芯片之间的供电回路面积需尽可能小。

(5) 滤波电容的引线尽量短。

(6) 保持时钟的回路面积最小。

(7) I/O端口的滤波电路尽可能靠近机箱上的I/O插座。

(8) I/O端口设置干净地，减少与其他信号回路共有的地线部分，并将其通过最低的阻抗连接至设备的导电外壳。

3.2.4 良好的电路设计

电路设计的核心内容是降低电路的工作频率，降低电路的回路面积，限制进入电缆的共模电流，具体方法如下：

(1) 不使用超过需要的时钟频率。

(2) 限制时钟信号的上升沿/下降沿。一般在时钟电路的输入端安装铁氧体磁珠就可使脉冲光信号的上升沿/下降沿变缓。

(3) 尽量使用大规模集成电路。大规模集成电路的尺寸远小于线路板，这意味着其信号电流的回路面积远小于线路板上信号电流回路面积。

(4) 在满足功能的前提下，尽可能使用较低速的数字芯片。较低速的电路不仅产生较少的电磁辐射，而且对外部骚扰的抵抗力也较高。

(5) 所有I/O端口安装适当的滤波电路。

(6) 完善的电源解耦电路。特别是在高速数字电路的场合，以及数字电路与模拟电路共用电源的场合。

4 结 论

本文通过对中国船级社制定的GD 01-2006《电气电子产品型式认可试验指南》中EMC试验项目的试验原理进行分析，结合检测中心长期累积的检测数据，对易出现电磁不兼容的试验项目提出设备电磁兼容性改进的措施方法。这些措施方法表明设备最终通过EMC电磁兼容认证并非完全依靠产品成型后的整改，而是电气电子产品的电磁兼容性设计应渗透至产品设计开发过程，包括电路级的电磁兼容设计、电路板级的电磁兼容设计、产品结构屏蔽设计、电源信号滤波设计等。只有这样研制出的电气电子产品才能保证其可靠性、安全性，才能更好地服务于船用系统。