面向CS116试验故障的电缆网仿真设计

王蓉 史忠军 陈俊伟 孙成 王力

摘要：从电磁兼容试验CS116鉴定项目的故障现象出发，对产品功能原理和试验方法进行模型简化研究，采用PSPICE软件建立CS116试验仿真模型，也出现了故障。通过分析提出的电缆网输入和输出端口地线短路2种改进方案，仿真和试验结果表明，在电缆网输入端进行地线短路具有更好的效果。电缆网接地的设计改进方法，避免了状态确定的电路产品进行电路原理和PCB的设计更改。

关键词：CS116;电缆网;仿真分析

中图分类号：TP391.4文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）07-69-6

0引言

当电子产品暴露在核电磁脉冲或雷电等外部环境时，由于电缆自身和其他相连产品电气开关切换等引起的电磁现象，产品内部的感应电流和电压波形常常为阻尼正弦波[1]。电磁兼容试验的CS116试验模拟该电磁现象，考核军用设备和分系统的所有互连电缆和电源线，是大多数军用电子产品必须进行的电磁兼容试验项目，表征电子产品对其输入输出端口受到此类电流干扰时的承受能力。在GJB151A/152A-1997中，对空军设备或系统要求电子产品在10 kHz～100 MHz之间电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度应能够承受5 A的能力，而在GJB 151B—2013中提高到10 A[2]，意味着GJB对电子产品在CS116传导敏感度的承受能力上提出了更严格的设计要求。

成熟产品在CS116项目的鉴定试验中，输出遥测信号表明其输入逻辑信号存在误触发的异常故障，进一步试验发现该产品地线上的干扰电压较大。提高CS116试验电流干扰能力的主要措施包括电缆屏蔽、互联电缆和电源线的滤波、接地或隔离，具体采取哪些措施需要根据实际产品的设计情况来决定。根据本产品基本成熟的现状，不宜对产品设计进行改进，只能从接地设计角度进行改进。为解决这一问题，对产品功能原理和CS116试验项目的试验方法进行模型简化研究，采用PSPICE软件建立CS116鉴定项目的试验仿真模型，并复现了故障。通过对产品电缆网接地设计的仿真优化改进，确定了电缆网接地的设计改进方法，提升了CS116峰值电流承受能力，达到了预期要求，避免了已投产的电路产品进行电路原理和PCB设计的优化。

1试验故障现象

按照GJB151B-2013规定，CS116试验连接如图1所示。图中，X2为产品电源及总线接口，X1为产品的遥测信号输出，用于出厂前仅产品性能的测试，产品交付后，X1处于悬空状态。根据电磁兼容试验仅对接入系统状态下的输入输出电缆实施干扰的试验原则，CS116试验项目仅对X2注入CS116阻尼正弦瞬变干扰信号。

为避免其他干扰的影响，被测产品由直流稳压电源经过2个线路阻抗稳定网络（LISN）提供。瞬变信号发生器产生阻尼正弦瞬变干扰信号由注入探头注入至电源及总线接口电缆中，监控探头采样，显示电缆中所接收到的瞬变信号。

试验中，从遥测信号观察到产品“开机”的误触发现象。进一步排查发现，遥测信号中的产品地和外壳地之间，存在较大的干扰冲击信号，如图2所示。从图中可以看出，产品地在CS116试验中，出现单峰值接近5 V的电压，该电压将会使产品内部的逻辑器件产生误动作，出现产品误开机的现象。

试验曲线表明，产品在地线连接上存在缺陷，抗外部瞬变信号干扰的能力较弱。考虑到产品是成熟、即将定型的产品，不能对内部的走线、滤波及接地进行优化，只能对产品电缆网进行相应的接地优化。通过仔细研究CS116试验方法，根据原理抽象、简化和建立的试验仿真模型，通过仿真提出和验证电缆网改进的有效性。

2瞬变干扰信号分析

CS116项目是GJB151B-2013新规定的电缆和电缆线阻尼正弦瞬态传导敏感度，试验采用瞬变信号发生器产生阻尼信号，如图3所示。

试验时，阻尼正弦瞬变干扰信号是通过电流注入探头注入，信号频率分别为0.01 MHz，0.1 MHz，1 MHz，10 MHz，30 MHz，100 MHz，如图4所示。

图4中，极限电流模拟和表征外部瞬态环境的系统级试验期间，产品电缆上所发現的最大的感应电平低于谐振频率时，耦合量和频率成正比;曲线的低频转折点为1 MHz，高频转折点为30 MHz。典型频率的电流峰值如表1所示。

3试验状态建模与仿真

如图6所示，试验产品由A，B，C，D，E五个接收机组成，每个接收机内部电路板数量也不同。在产品设计时，为提高产品的测试性，每块电路板的模拟信号均通过屏蔽线送出，其屏蔽地从该电路板接至产品电缆接口X2。瞬态信号发生器产生的阻尼正弦干扰信号从产品电缆注入，地线上出现最大10 A的瞬态正弦阻尼电流，该电流回流到地，先后经过各电路板、各接收机，通过机壳回流到地[4]。

根据图6阻尼正弦瞬变干扰的大电流信号电路回路，对所经过的电缆地线、电路板地线等进行建模，如图7所示。

瞬变信号发生器产生的阻尼正弦瞬变干扰大电流信号通过注入探头，注入到产品电缆，经由端口X2进入产品。产品电路复杂，准确建立电路模型基本不可能，必须依据地线受到干扰的现象进行简化，同时细化主要影响部分的建模，仿真模型建立的具体考虑如下。

①根据电流路径，产品内部经过M1，M2，M3，M4，M5五部分，重点对这5部分建立阻抗模型。

②M1中电缆地线阻抗仿真模型，根据电缆型号，按照电缆长度、芯线面积等参数建立电缆的PSPICE仿真模型。

③M2中电路板地阻抗仿真模型，根据实际产品测试，相关地引脚与电路板内逻辑芯片接地处的对地电阻。

④M3中螺钉接地阻抗仿真模型，根据接触电阻（如0.01Ω）进行建模。

⑤M4中机壳接地阻抗仿真模型，根据机壳接地电缆线电阻、接触电阻相加进行建模。

⑥M5中产品接地阻抗仿真模型，根据电缆型号，按照产品接地电缆长度、芯线面积，结合产品接地电阻测试二者结合确定电阻参数，确定模型的参数。

采用简单的2个非门替代复杂的DSP和FPGA逻辑功能，作为逻辑输入的观测。按照图7在PSPICE中建立仿真模型[5]，设置仿真时间100μs，简单逻辑输入（B点）和输出（E点）的仿真结果如图8所示。从图中可以看出，B点仿真波形阻尼正弦波形的幅度约为5 V，因此，可以驱动简单逻辑电路形成逻辑“0”的阶跃，出现6次产品逻辑混乱。仿真结果与故障现象在最大值的包络方面一致，也出现了多次非正常地逻辑变化，可以用来进行故障的分析和排查定位。

4电缆网改进与仿真

故障问题分析表明，B点波形因电缆、电路板、螺钉及外壳等接地电阻不可忽略，导致原本是地的电路节点上出现阻尼正弦波形。解决该问题最彻底的方法是从电路原理和PCB布局角度，增加磁珠、电感，对地线进行隔离;合理分配电容的容值，增加各频段的滤波能力等[6]。但在产品原理图、PCB难于更改的状态下，解决该问题，宜用产品电缆网的设计改进和优化。

仔细分析产品电缆网连接状态，主要有2种改进方式：电缆网输出端口用电缆互联，即图7中A1～A12的电路节点之间互联;电缆网输入端口用电缆互联，即图7中IN1～IN12的电路节点之间互联。2种方法的有效性，可以通过建立产品的简化仿真模型，对仿真结果进行对比。

4.1电缆网输出端口接地短路仿真

在图7中，按照A1～A12的电路节点增加短路线进行建模，同时按照传输线，考虑短路线的阻抗，仿真结果如图9所示。从图中可以看出，在电缆网输出端口短路后，简单逻辑输入电路节点（B点）干扰信号的最大单峰电压值仍然有2.8 V左右，简单逻辑输出电路节点（E点）仍然存在2次逻辑混乱。

4.2电缆网输入端口接地短路仿真

在图7中，按照IN1～IN12的电路节点增加短路线进行建模，同时考虑短路线的阻抗，仿真结果如图10所示。从图中可以看出，在电缆网输出端口短路后，简单逻辑输入电路节点（B点）信号仅有1.2 V左右，简单逻辑输出电路节点（E点）已经不存在逻辑混乱。

5产品改进与试验验证

上述仿真结果表明，电缆网输入端口短路将对干扰信号具有更强的滤波能力。从最小更改的原则出发，解决问题的措施如下：首先，在电缆网输入端口进行接地短路;如果不能通过CS116试验，在电缆网输入、输出端口同时进行接地短路;如果仍然不能解决问题，则只能从电路原理图和PCB的角度重新进行优化设计。

电缆网输入端口短路方案的电缆网设计如图11所示。12根地线在完成互联后，为提高可靠性采用2个“焊片”分别从接地的两端引出，固定连接到框架上通过螺钉拧紧接地。

采用电缆网输入端口短路的方法改进电缆网，进行产品的装配和CS116项目试验，未观测到产品“开机”误触发的现象。试验过程中，遥测信号中产品地与外壳地之间的干扰电压波形，如图12所示。与图2对比，可以发现电缆网在输入端口短路的方法，将原本5 V的单峰值干扰冲击减小到单峰值1.2 V左右，从而避免了“开机”信号被误触发。

6结束语

本文从CS116试验的故障现象出发，对产品进行接地分析，建立仿真模型，复现了试验故障，并根据电缆网输出端口地线短路、输入端口地线短路的2种改进方案，建立仿真模型，对仿真结果进行优选，采用电缆网输入端口短路的方案进行产品电缆网的设计改进。结果表明，该方案可有效解决故障现象，试验结果与仿真结果基本一致。在实际产品设计中，如果产品实际接地较好，可以选择电缆网输出端口地线短路;如果产品实际接地更差，可以同时采用电缆网输入、输出端口地线同时短路的方案，以达到更好的抗电磁干扰的能力。

参考文献

[1]黃明亮，侯冬云，孟凡民.CS116试验项目与设备电磁脉冲防护[C]//第六届全国电磁兼容性学术会议2004EMC论文集，武汉：《舰船电子工程》杂志社，2004：269-272.

[2]工业和信息化部电子第四研究院，海军装备研究院标准规范研究所，总装备部技术基础管理中心，等.军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量：GJB 151B-2013[S].北京：国防科工委军标出版发行部，2013.

[3]谭阳红.基于OrCAD16.3的电子电路分析与设计[M].北京：国防工业出版社，2011.

[4]徐伟玲.航天电子产品的整机的装联布线[J].航天返回与遥感，2003（4）：54-58.

[5]王志成，陈晖，朱一舟.基于Pspice仿真对GJB151A中CS116测试的滤波设计[J].安全与电磁兼容，2011（5）：59-60.

[6]何宏，杜明星，张志宏.电磁兼容原理与技术[M].北京：清华大学出版社，2017.