一文看懂车载电子设备电磁兼容设计

       随着科学技术的不断发展，电子设备的数量及应用逐渐增多，结果必将造成电磁干扰越来越严重。在日趋恶劣的电磁环境中，如若不采取恰当的电磁屏蔽措施，会导致设备之间的电磁干扰日益严重，电子设备的性能下降，甚者会危及到信息的安全。为了保证电子设备在复杂的电磁环境中既不干扰其他设备，而又不受其他设备干扰的影响而能正常工作，这就要求在设备研制的初期阶段必须从结构、技术等方面进行严格的电磁兼容设计。

       电磁兼容设计的基本要求

       电磁兼容性是电子设备的主要性能之一，在进行设备功能设计的同时，还应进行电磁兼容设计。电磁兼容设计的目的是使所设计的设备在复杂电磁环境中实现电磁兼容，因此在进行电磁兼容设计时应满足以下要求： 首先明确设备所满足的电磁兼容指标，然后确定设备的敏感器件、干扰源及干扰途径，有针对性地采取措施，最后通过试验了解设备是否达到了电磁兼容指标要求。

       电磁兼容设计所采取的方法

       对于通信车而言，通常其所装载的设备量很多，包括配电设备、通信设备及终端设备等，各设备间很容易形成电磁干扰，进而影响通信质量，因此设备在进行电磁兼容设计时要从三要素（ 干扰源、耦合途径和敏感设备） 出发，采取各种有效手段，抑制干扰源，消除或减弱干扰耦合，增加敏感设备的抗干扰能力。
       以某车载电子设备为例，由数字电流表、数字电压表、转换开关、断路器、控制保护单元、互感器、接触器等单元及元器件组成，其中数字电流表、数字电压表、转换开关、断路器布置于前面板上，控制保护单元、互感器、接触器等单元及元器件放在机箱内部。此设备要满足 GJB151A- 97 有关的电磁兼容指标要求，在结构设计等方面采取的主要措施有： 仪表窗口的屏蔽; 机箱缝隙的屏蔽; 各单元合理布局及其屏蔽; 电缆敷设以及电源线滤波等。

       （一）仪表窗口的屏蔽
       仪表窗口对设备来说是比较大的泄漏口，必须采取有效的措施将其屏蔽，为此采用加装丝网屏蔽玻璃的方法对数字电流表、数字电压表进行外部屏蔽。丝网屏蔽玻璃是由一种低阻抗的金属丝网通过特殊工艺夹在两层玻璃之间制成，丝网筛孔的密度决定其主要的屏蔽效能。由于玻璃周边预留了10-20 mm金属丝网毛边，通过螺装金属外框将它紧紧压在机箱上，从而获得连续的导电表面，以达到减少电磁泄露的目的。

       （二）机箱缝隙的屏蔽
       影响屏蔽完整性的主要因素是屏蔽体上的接缝。此车载电子设备的框架是采用铝板折弯后对焊而成，焊缝平滑连续，属于永久性接缝，这种接缝处的射频电阻几乎与金属板本身的射频电阻相同，从而保证了屏蔽体接合处的电气连续性。对于可拆式接缝，如机箱、盖板接合处，往往采用螺钉紧固方式，由于螺钉的间距不宜太小，接合表面的不平整以及盖板材料的翘曲变形等原因，使接合面处不可避免地产生了缝隙，降低了机箱的屏蔽效能，为此采取了2种方法来解决此问题： 增加缝隙深度，为了增加缝隙深度，机箱的弯边宽度取15 mm，重叠尺寸越大，屏蔽效能越好; 减小缝隙长度，由于钣金机箱很难做到接合面处的高精度，为了弥补此缺陷，采用了经济、实用的方法，在接合面处粘贴带背胶的铍青铜簧片，由于簧片具有一定的弹性，装配后簧片变形，接触面产生一定的压力，使接合面具有了一定的电气连续性。

       （三）机箱内部各单元布局及其屏蔽
        合理布置设备内各单元及元器件的位置，可以做到既经济又实用地减小干扰程度。首先必须明确干扰源和受感器，在本设备中干扰源是控制保护器，敏感设备是数字电流表和电压表，为了避免二者紧邻，把它们分别放置于机箱的后部和前部，用空间距离减弱彼此的电磁干扰。为了达到更有效的屏蔽效果，又在电流、电压表的表体外围罩有屏蔽盒，表头紧贴前面板的屏蔽玻璃，玻璃的丝网毛边通过螺装金属外框将它和机箱、屏蔽盒联成一体，从而使表体完全处于电气连续的金属罩中，而电流、电压表引线则由装在屏蔽盒上的穿心电容引入，这样使引线所感应的干扰信号被旁路接地。同样控制保护器也用屏蔽盒对其进行了屏蔽，进一步减小了它对外的辐射能量，从而获得较好的屏蔽效果。

       （四）电缆选用及敷设
       因为电缆是高效的电磁波接收和辐射天线，也是干扰传导的良好通道，绝大多数设备的电磁兼容问题是电缆造成的，解决电缆问题的主要方法之一是对电缆进行屏蔽，所以此设备选取了屏蔽层质量好（ 低阻抗） 的电缆，并且保证电缆屏蔽层与机箱360.。低阻抗搭接，使屏蔽层与机箱构成一个完整的屏蔽体，这样在一定程度上能够解决电缆辐射的问题。与此同时，在电装布线时，要求电源配电线路与其它各类线路保持150mm 距离，敏感电路和干扰电路各自单独敷设，不能交叉重叠，且加大线束的间距，避免线缆间的耦合。

      （五）电源线滤波
       为了抑制电源输入端高频干扰信号对本系统的影响，加装了EMC 电源线滤波器。滤波器不同于其他电子元器件，它的性能与其安装方式有很大关系，所以在滤波器的安装方式上采取了一系列措施。如图2 所示，首先滤波器输入与输出线要远离，以避免由于两端耦合而导致高频滤波效果变差等现象产生; 其次滤波器外壳与机箱低阻抗接触，同时要减短电源端口到滤波器的连线，当电流进入机箱后，先流经滤波器进行滤波，然后再到其他各单元; 最后电源端口与滤波器之间连线也要进行屏蔽，这样外界的电磁干扰不能沿电源线进入设备，机箱内的电磁干扰也无法传出机箱，造成干扰发射超标。

      （六）接地
       接地是电子设备的一个很重要的问题，它可以使整个电路系统中所有单元电路的地之间没有电位差，保证设备能稳定地工作。此车载设备的后面板上安装有接地柱，即机壳地。机壳地可以使由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，避免由于静电放电时产生的大电流流进设备的电路对其造成干扰和危害，合理的接地点对于整个机箱的屏蔽效能十分重要。

       测试结果及完善措施

       此车载设备在采取了以上电磁兼容措施后，按GJB151A- 97 有关的电磁兼容指标要求进行测试，发现除了RE102 试验项目超标外，其余各项指标均合格。对RE102 试验项目进行观察，发现测试结果图的超标点为24 MHz、36 MHz 两点，而这两点分别是12 MHz 频率点的二三次谐波。为了找到这一频率点的元器件，对机箱内各单元进行了分析，发现控制保护单元中有一个12MHz 晶振，由于晶振属于高噪声元器件，能够产生较强的辐射，从而使其周边充满着近场辐射场。如果辐射场内有器件或走线，晶振及其谐波信号将耦合到器件或走线上而辐射出去;再者又发现控制保护单元的PCB 板未采取就近接地措施，只是通过一根长引线和机壳地相连，造成信号的环路面积增大，产生了很强的辐射，所以对控制保护单元采取措施应该是行之有效的。首先对晶振进行屏蔽且屏蔽体就近接地，弱化辐射发射强度; 然后控制保护单元的PCB 板同样采取就近接地措施，并且在屏蔽盒出口处的信号线上安装一个铁氧体磁环，可以将不需要的高频干扰抑制掉。通过采取以上措施后，RE102 试验指标合格。

       由上所述可以看出，电磁兼容是一门实践性很强的综合性学科，无论是结构设计，还是印制板设计，都需要采取行之有效的方法。该车载设备在采取了以上各种有效措施后，终于达到了更为理想的电磁兼容效果。