浅析舰船电磁兼容中的接地设计方法

中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 詹金晶



浅析舰船电磁兼容中的接地设计方法

中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 詹金晶

【摘要】接地是提高系统电磁兼容性能的重要方法。介绍了系统中电路接地、屏蔽层接地、滤波器接地及机壳地的设计方法，通过两个案例的分析及整改，进一步说明了接地方式及方法的重要性。

【关键词】电磁兼容；接地；干扰

1　引言

随着舰船自动化程度的提高，船用电子设备的种类、数量不断增加，运行速度不断提高，导致舰船电磁辐射及干扰问题越来越严重。一方面，电子设备自身产生电磁场辐射，并通过电缆耦合到外部，且设备舱空间狭小，使设备工作的电磁场环境更加恶劣。另一方面，电子设备在这样复杂的电磁环境里必须能不受干扰，否则，会对舰船的安全航行和正常工作带来影响。因此，电磁兼容性能已经成为舰船电子设备必须满足的质量要求。

在电子设备中，电磁干扰是肯定存在的，要提高设备的电磁兼容性能，就需要对整个电路进行设计，使干扰被吸收或流过路径最短。

系统中的“地”为电子设备提供统一的电位参考点，以保证信号的正确传输。理想的“地”是零电阻的导体，电流流过地线以形成回路，而不会产生压降。在实际应用中，地线不可能没有阻抗，作为电流路径，也是外部干扰进入设备和内部干扰传导出设备的路径。选择正确的接地方法，最小化接地阻抗，减小接地回路的压降，是提高电磁兼容性能的有效方法。

2　接地设计

系统包含各种类型的电路和电器件，地线相应地分为数字地、模拟地、交流地、直流地、机壳地等。针对不同的电路特性，对系统进行地线划分，理清地电流的实际路径，设计合理的接地点和接地方式，避免引起相互干扰。

2.1电路接地设计

一般情况下，高频电路（＞10MHz）应就近多点接地，使接地线的长度最短。因为在高频时，地线上具有电感因而增加了地线阻抗，会产生较大的共模电压，同时各地线之间又产生电感耦合。为了降低地线阻抗，应采用多点接地。

低频电路（＜1MHz）应单点接地。低频电路中主要的干扰来自公共阻抗耦合和接地环路，布线和元件间的电感不是大问题，将每一个电路都直接接到同一个单点地，消除地回路。

对宽带电路，可使用混合接地方式。低频电路单点接地，高频电路通过电容多点连接到地，电容可阻塞直流和低频，以防止高频与低频电路之间的串扰。

电路应区分数字地、模拟地、电源地等不同的地线，划分不同的地平面，各个地平面在适当的位置通过一点短接起来。该点短接可通过磁珠或0欧姆电阻，以限制环路电流，抑制干扰。磁珠有固定的频率特性，在某些频段阻抗高，在使用时要考虑与电路频率特性的匹配问题。0欧姆电阻作用于全频段，使用范围比磁珠广。

电路中地线的布置应尽量减小信号环路面积，以降低差模辐射，提高抗干扰能力。

2.2屏蔽层接地设计

电缆屏蔽层采用金属材料，其接地方式不同将直接影响对电磁场的屏蔽效果。低频信号（如模拟信号）传输时采取屏蔽层单端接地，测量值的连续上下波动和永久偏差表示有低频干扰。源端接地时，屏蔽层应于源端实行单点接地，源端未接地，则在信号接收端实行单点接地，这样可以保证他们之间的电压差最小，从而使屏蔽层到中心导线的容性耦合最小。

随着信号频率的增大，磁干扰变得严重，易采用双端接地来屏蔽磁场。感应电流可以在屏蔽层上流动，以抵消在中心导体上感应的电流。

屏蔽层一般连接到连接器外壳，进而通过金属机箱连接到大地，不进入机箱内部。屏蔽层与连接器金属外壳之间采用360°全覆盖连接，而不应将屏蔽层拧成一股线固定到连接器，这种“猪尾巴”连接安装方便，但在连接处会产生电磁泄漏和阻抗不匹配。

2.3滤波器接地设计

电源滤波器滤除电源线传入的干扰。电源滤波器必须接地，且在靠近输入端安装，滤波器外壳直接安装在金属底板上。在滤波器安装的位置，金属底板不要涂覆绝缘漆，若底板表面不平整，滤波器外壳与底板不能完全接触，则在两者之间垫金属箔片。

2.4机壳地设计

一般设备的金属外壳被当作机壳地，并通过一点接大地。机壳地到大地的连接采用短而宽的导体以提供低阻抗的电流路径。机壳地将设备长期通电聚集的静电电荷释放到大地，避免造成静电干扰。当外界干扰作用到系统设备时，金属外壳将干扰引导到大地，保证设备内部电路不受外界干扰的影响。

机壳地与电路地不能直接连接，否则外部干扰可能通过机壳地被引入电路，引起信号的波动，对低电平信号，微小的波动都可能引起信号的错误传输。机壳地与电路地可采用低容值的电容连接。

机壳地与交流电源的地连接，而交流电源地一般与电源外壳接通，因此可使电源外壳与大地、人体等电位，提高操作安全性。

3　案例分析

3.1滤波器接地

对某机箱的DC24V和AC220V电源线进行电磁兼容CE102项测试。DC24V电源线从300kHz开始至10MHz都有严重超标，多个频点超标达20dB以上； AC220V电源线在2MHz以后上升，离标准线很近。

经分析测试，DC24V电源线干扰来源于机箱内部的DC-DC开关电源。DC-DC开关电源以脉宽调制方式工作，调制过程中由于较陡的斩波脉冲产生了干扰波频谱，形成尖峰脉冲，其产生的电磁辐射耦合到机箱内电源线上，电源线通过连接器连接到机箱外部形成传导发射干扰。在机箱内电源线与连接器间接入滤波器，对干扰信号进行抑制。但滤波器外壳未接地，因此仍然在2-3个频点上超标。将滤波器外壳直接安装在机箱外壳，测试，未超标。

机箱内AC220V电源线的走线顺序是连接器-开关-保险丝-滤波器，电源线在机箱内绕了一大圈后才进入滤波器，且对线缆未采取屏蔽措施，电路板上产生的干扰直接耦合到电源输入线上，传导到机箱外部，造成电磁发射超标。改变电源线的走线顺序为连接器-滤波器-开关-保险丝，同时电源输入线改为屏蔽缆（一端连接到机壳），将机箱底部安装滤波器位置的绝缘油漆刮掉，垫铜箔增加接触可靠性。重新测试，效果很明显，比标准线低约20dB。

3.2RE102测试

对机柜进行电磁兼容RE102项测试，机柜内安装有百兆网络交换机和无线数传分机。测试在约187MHz超标准约5dB，每隔12.5MHz有一个波峰。

用近场探头通过频谱分析仪观察，是机柜内网络交换分机内部辐射所致。打开网络交换分机，发现分机内信号地与AC220V电源线捆扎在一起平行走线。电路内部处理器的时钟信号及其谐波在信号地上形成共模噪声，并且耦合到电源线缆上，通过电源线缆进行传导发射。

在分机内“信号地”线上加磁环，抑制高频干扰信号的通过，同时将信号地与电源线分开走线，降低到电源线的耦合。电源线上加磁环，将网络交换分机到柜顶的电源线与信号线分开走线。采用近场探头测试，辐射有明显降低，但在187MHz仍超约1.5dB。

通过近场探头发现机柜无线数传分机的AC220V输出辐射较大，打开无线数传分机发现网线与AC220V输出绑在一起走线，将AC220V输出单独走线，网线及其他电缆改为从光纤这端走线，柜顶端加磁环。重新测试，电场辐射在标准范围内。

4　结束语

接地是电子设备最基本也是最重要的连接，接地连接的好坏，将影响设备性能的稳定性，更严重地将影响设备功能的实现。接地不仅仅是简单的将地线连接在一起，接地设计需要遵循两个原则：（1）使电流环路面积尽量小；（2）地线阻抗尽量小。将这两个原则联系具体的电路和设备特性，对系统进行良好的接地设计，可以解决电磁兼容中的大部分问题。

参考文献

［1］Tim Williams著，李迪译.电磁兼容设计与测试［M］.电子工业出版社，2008.

［2］朱文立.电磁兼容设计与整改对策及案例分析［M］.电子工业出版社，2012.

［3］白同云，倪建平，刘以农等.分层与综合设计法—电磁兼容设计的新方法［A］.第十四届全国电磁兼容学术会议论文集，2004.