机载计算机电源接地研究与设计

马 钟

（扬州市江都区职工学校，江苏 扬州 225200）

0 引言

机载电子产品的工作稳定性与可靠性与产品的有效接地具有重要的关系，科学有效的接地能够对设备的安全以及人身安全提供重要的保证，同时也能够对工作过程中产生的电磁干扰具有显著的抑制作用[1]。实践表明，正确有效地接地能够解决设备工作过程中大部分的干扰问题。机载计算机电源采用的高频开关电源在开关的瞬间会产生尖冲电压以及尖冲电流，给设备的安全以及稳定运行带来了不利的影响。因此设计进行地线设计，采用有效的接地方式，降低设备在运行过程中的干扰的研究具有重要的实践应用价值以及理论价值[2]。

1 接地方式概述

1.1 单点接地

单点接地适用于低频电子设计领域，在系统工作频率在1 MHz以下的时候，单点接地的方式可以有效降低共模抑制干扰的问题。在接地结构方式上单点接地可以分为串联单点接地以及并联接地的方式，结构如图1所示。

图1 单点接地的两组方式

串联单点接地的面临的最大问题就是接地的效果会收到接地导体自身阻抗的影响，因此在低频应用领域一般都会采用分离接地（并联接地）的方式进行。分离接地的方式可以降低不同电路之间电流之间的耦合。分离接地的每一路接地的效果仅仅收到本支路电流以及导线阻抗的影响，但是分离接地的方式需要更多的接地线，增加了系统的成本。

1.2 多点接地

多点接地的方式一般在工作频率大于10 MHz的情况下。在数字系统以及高频系统中，多点接地的方式可以降低阻抗。多点接地方式中所有的电路都会被连接到机架或者机箱等常见的低电阻平面，合理的控制地平面的低电感可以实现对地阻抗的控制。设备接地设计过程中要尽可能减少电路与地平面之间的连接长度，降低接地线的阻抗。多点接地存在的不足，主要表现形式就是接地会形成环路干扰，在接地距离不当的时候会产生共振干扰等方面的问题，所以需要对噪声的频率范围进行认真考虑，避免多点干扰接地问题的产生[3]。

1.3 混合接地

在不同频率的应用场合，接地要求也是不同的，在实际设计过程中都用电容、电感等器件的频率特性实现对电路系统的配置。在频率较低的工作场合，电容呈现高阻抗，电感呈现低阻抗，在高频段时，电容呈现低阻抗，电感呈现高阻抗。利用电容电感的频率特性可以实现电路接地时的多点或者单点接地。点电子产品的印制板设计过程中，一般都要求地线的宽度较大，并合理进行接地端的面积扩展。同时对于数字地与模拟混合系统要能够进行数字地域模拟地的区分，并分开进行设置，模拟地与数字地在系统中只能够采用一个共地点，不能够采用多点的方式，在拓扑结构方面采用散射状实现模拟与数字地的连接。

2 机载计算机电源布局设计与接地方案

机载计算机与一般的计算机的工作环境存在较大的差异，一般其供电环境都较为恶劣，容易受到电磁场以及其他因素的干扰。通过合理进行机载计算机电源的设计与接地方案规划，保证电源的正常工作就显得尤为重要。一般机载计算机的电源都是采用的开关电源，并工作在高频状态，功率管在开关的瞬间会伴随较大的尖冲电压或者尖冲电流，并在电路内部产生显著的磁场与电场干扰，最终在地线上积累形成噪声电压。如果地线设计不合理，噪声电压会引起自激振荡等不利影响，对机载计算机产品的正常稳定工作产生不利的影响。

从实际的工作经验分析，在高频工作领域一般都是采用多点接地的方式，对于电路中的功率变化与控制电流要能够采用合理的耦合方式降低产品之间的工作影响，设置合理的接地点，同时对于功率管以及整流管等噪声较为显著的部件可以采用电容进行差模与共模干扰抑制，用来降低工作过程中的开关噪声。开关电源电路布局图如图2所示。

图2 开关电源电路布局

高频开关电源中，电源变换器中的功率管的开关状态高度切换会带来高频的大电流在功率管等器件上流过，当印制板导线的长度较长时就会产生显著的电压降[4]，因此功率地域信号控制电路的布线不分开，压降就会对控制电流的工作行程干扰，导致电源的不稳定工作。

高频开关电源采用了PWM电路。PWM输出的稳定度对电源的稳定工作有直接的影响，使用过程中，PWM芯片以及外围电路需要接地，一般采用模拟地SGND，相应控制电路的接地也应该选择在这一点上，控制电路中输出电压的采样值放大电路的接地点也选择在这一点，接地信号同时要能够采用电容滤波进行单点接地。采用这样的模式后，电源电路中所有的元器件都能够使用该接地点作为电流返回点，并通过单点的方式实现与电源变换器的有效连接[5]。这样的方式可以有效避免开关噪声，降低对电源控制回路的影响。实践证明，通过以上改进以后，高频开关电源电路的稳定性得到了有效改善，在机载计算机电源的整体供电范围内（18～32 V）均有效消除了振荡现象，保证了电源的稳定有效供电。

同时，考虑到电源变换电路本身的抗干扰能力，在变压器的初级地跨接大滤波电容CX，可以实现对电压器绕组分布电容以及输入输出地的地电位差所引起的共模干扰，提升共模抑制比。

3 结语

本文通过对某型机载计算机电源产品的接地分析和设计后，产品的工作特性得到了极大改善，在随整机进行基于GJB 151A和GJB 152A的电磁兼容试验中，通过了CE102、RE101、RE102等项目的全部试验，且工作稳定可靠。通过合理的布线和接地设计，有效地解决了噪声问题，实现了机载计算机电源的稳定可靠工作。