星载电子设备电磁兼容接地设计

王志成,魏瑞刚,孙艳红

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

接地设计是一项重要设计,也是难度较大的一项设计,在EMC设计的开始就进行接地设计,是解决EMC问题最有效和最廉价的方法。基于接地设计的方便、廉价与明显的效果,接地设计是EMC设计中的最重要的一个环节,也是EMC设计中技术含量较高的一项措施。

接地目的一般分为保护性接地和功能性接地[2,3]。保护性接地分为防电击接地、防雷接地、防静电接地和防电蚀接地。功能性接地包括功率接地、逻辑接地和屏蔽接地等。EMC的接地是从功能上考虑的,不是说简单地将设备某一点与大地相连就可以了,由于EMC方面涉及到的干扰多为高频信号,所以EMC接地必须考虑在所关心的频率范围内做到等电位连接。

电子系统与设备的接地为电源和信号电流提供一条阻抗回路,达到故障保护的目的;接地也为上述设施、系统和设备产生的静电电荷提供泄露途径,重要的是为电路或系统提供一个等位面作为统一的参考基准。

1 接地干扰机理分析

1.1 公共阻抗干扰

公共阻抗干扰是指地电流在公共地阻抗上形成的干扰。如图1所示,2个电路共用1个电流回线时,由于地阻抗的存在,导致接地电压Ug=(I1+I2)R。假设 I1远大于 I2,那么,电路 1产生的噪声可通过共阻抗耦合到电路2上面。

图1 共阻抗干扰模型

电路中,由于地线阻抗的存在,电路1对2产生的噪声电压为[4]:

可见,噪声电压与公共地线阻抗相关,与敏感电路负载阻抗相关,还与干扰电压相关。

1.2 地环路干扰

地环路干扰如图2所示,电路1和电路2共地,由于地线阻抗的存在,导致地线两端形成电压差,图2(a)中电路连接方式,使电路1对电路2产生差模干扰;图2(b)中连接方式,使电路1对电路2产生共模干扰。

图2 地环路干扰

公共阻抗干扰和地环路干扰,主要是由于地阻抗造成的。设计时充分考虑地阻抗带来的干扰,确保地阻抗的连续性,比如对设备接触面的处理,使得地阻抗尽量小。

1.3 接地点对干扰路径的影响

由基尔霍夫定律知道:时域信号由源到负载的传输都必须构成一个回路;频域信号由源到负载都必须有一个最低阻抗路径。简单地说,信号是由回路构成的,在电磁兼容设计时要时刻考虑这一点,当然这点同样也适用于电磁兼容试验中加入设备的干扰信号。比如由电缆束注入设备内部的干扰试验CS114、CS115和CS116,干扰信号由耦合钳耦合到电缆束上,由基尔霍夫定律得知干扰信号经过路径为:信号发射设备、电缆束、被测设备最后通过公用的地回到信号发射装置,从而构成了一个闭合的回路。而设计设备的接地点时就要考虑到这种情况,从而合理设计接地点的位置,并分析干扰信号进入设备的整个路径。

如图3所示2种接地方式:第1种接地点离线缆较远,第2种接地点距离线缆接口较近。

图3 接地方式对比

干扰耦合进入线缆上对于第1种接地方式信号将通过整个PCB然后才能进入机壳地上,而对第2种接地方式干扰信号将通过最低阻抗路径返回所以不会通过整个PCB这样就避免了干扰信号对整个PCB带来的潜在危险。

2 星载电子设备接地特点

星载电子设备同一般的电子设备一样也要遵守一般的接地规则:地的干扰一般分为公共阻抗干扰和地环路干扰[1]。对于信号工作频率低于1 MHz的,使用单点接地;信号工作频率大于10 MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,采用就近多点接地。尽量加粗接地线,因为若接地线很细,接地点电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的定时信号电平不稳,抗噪声性能变差。

设计时,数字电路板由于信号频率较高大于10MHz,因此采用多点接地的方式,这样可以避免共阻抗干扰;同时在数字电路板上面有数模(AD)转换器,在设计时充分考虑了数字地的干扰比较大不要影响模拟信号的原则,在PCB器件布局时把数字器件和模拟器件分开布置但是共用了一个地(没有对数字地与模拟地隔离),这样既避免了数字对模拟信号的干扰,又避免了地的隔离对信号回路的影响;电缆屏蔽层通过360°搭接后接地这样避免形成“猪尾巴”型的接地方式影响屏蔽效果。

除以上设计外,星载电子设备又有其独特之处:

①一次电源与二次电源隔离。星载设备接地最重要的一点要考虑对一次电源的保护,这样就要求一次电源地与二次电源地隔离。一次电源由电源输入线与电源地回线组成。二次电源地作为系统工作地的参考在设计时不能直接与一次电源地连接在一起,主要考虑避免单机接地故障为一次电源带来致命的危害从而影响整星的正常工作;

②接地搭接面的处理。为了良好地导电,星载设备各个搭接面都是裸铝,而这在地面设备中是不可能的,因为裸铝很容易在空气中被氧化;屏蔽壳体还设计了专门的接地柱与卫星壳体连接,这在地面设备中也是不多见的;另外,在屏蔽壳体增大导电性能的同时还要考虑到设备导热的性能,因为不同于地面设备通过空气对流散热,卫星发射后在太空中热量主要是通过传导的方式散掉的。

星载接地的设计思想其实也可以运用到地面设备上,比如车载或舰载电子设备,若有单个电源同时供多个独立设备工作时,也可以考虑一次电源地与二次电源地的隔离,以避免一个子系统出现问题而影响到其他设备的正常工作。

3 设备接地设计

该星载电子设备的接地网络如图4所示。

图4 接地网络图

考虑接地引起干扰的方式和星载设备自身的特点,星载电子设备接地设计为:

①一次电源地:一次电源设计时包括一次电源入和一次电源回线(地),一次电源地与二次电源地隔离;

②屏蔽机壳接地:设备屏蔽壳通过接地螺钉安装,并且壳体与星体接触面裸铝接触,最后机壳还要通过专门的接地柱与星体地连接;

③器件接地:该星载电子设备中金属外壳的器件外壳直接与工作地相连;

④屏蔽电缆接地:屏蔽电缆的屏蔽层进行360°搭接,并良好接地;

⑤印制板接地:通过螺钉把印制板中的GND连接至机壳地;

⑥共模接地:在电路I/O接口附近设置了接地点,这样有利于防止共模干扰进入内部电路影响设备正常工作。

该设备开始接地设计没有考虑电缆地的360°搭接,由于其他接地设计得当设备自身功能运行正常,但是EMC试验中电场辐射发射试验(RE102)有频点超标没有通过,后对接地设计进行整改(把屏蔽电缆接地层360°连接在接插件上)通过了EMC试验,证明接地不好对EMC试验的影响比较显著,也证明了设计的有效性。

4 结束语

星载电子设备的接地设计方法针对某任务经过多次检验测试取得了良好的使用效果,是一种有效的、可操作的方法;同时电磁兼容地干扰形成的理论基础分析,对接地干扰问题的解决有很大参考价值,其分析和设计思想对于其他领域的电子设备的电磁兼容设计也有很大的帮助。

[1]陈淑凤.航天器电磁兼容技术[M].北京:中国科学技术出版,2008.

[2]CLAYTON R R.Introduction to Electromagnetic Compatibility(Second Edition)[M].闻映红,译.北京:人民邮电出版社,2007.

[3]KODALI V P.Engineering ElectromagneticCompatibility(Second Edition)[M].陈淑凤,高攸纲,苏东林,等译.北京:人民邮电出版社,2006.

[4]郑军奇.电子产品设计EMC风险评估[M].北京:电子工业出版社,2008.

[5]王志成.星载电子设备的电磁干扰三要素分析[J].无线电工程,2009,39(6):49-51.