某车载调度终端的电磁兼容设计

北京连山科技股份有限公司 姜艳龙

北京邮电大学 李 鹤

基于电磁兼容的基本概念，结合某车载调度终端的研制经验，本文介绍了器件选型，PCB布局，PCB布线，接地设计，滤波，屏蔽以及接口保护等电磁兼容设计方法；根据测试中发现的问题，分析原因并给出解决措施。

电磁兼容（EMC）是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。电磁兼容一般包括电磁干扰和电磁抗扰。军用车载设备要遵循GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》标准中相关设备的限值要求。

随着现代军事技术的需求，军用电子设备的构成已向综合化、小型化、模块化和通用化方向发展，军用电子设备的组成越来越复杂、功能构成也越来越强大。军用车载电子设备安装环境复杂，安装车型及方舱种类众多。

车载设备所面临的电磁环境愈加复杂，设备之间的兼容性问题愈加突出，设备外形小、重量轻、功耗低的需求愈发迫切；根据机要及数据安全的要求，军用设备需集成必要的相关模块；这些因素都为车载设备的电磁兼容设计提出了挑战。

本文结合某车载调度终端的研制经验，从器件选型，印制电路板（PCB）布局布线，接地，滤波，屏蔽及接口保护等方面提出电磁兼容设计方案，对测试中遇到的典型问题，分析原因并提出改进方法。

1 车载调度终端及安装环境

车载调度终端基于专网，解决车队行进中的调度及数据通信需求。终端由三部分组成：主机，手柄和天线单元，如图1所示。主机在较小的空间内提供了多个处理模块（包括机要模块接口，业务处理模块，通信处理模块以及数据安全处理模块），提供通信，数据安全和语音业务功能；手柄包含键盘和麦克，为业务提供输入功能；天线单元通过馈线和主机互联，由多个宽频天线构成。为解决方舱内通信问题，主机通过以太网线与其他车载设备互联。

图1 车载调度终端组成图

车载调度终端EMC设计的难点在于主机包含多个处理模块，处理器频率较高；尺寸和重量都有要求；前面板需安装大尺寸显示屏和喇叭；手柄键盘要求多功能键输入；设备连线多，包括电源线，以太网数据线，手柄互连线以及射频线。

主机安装在驾驶舱或方舱内，天线一般安装在车顶。

2 EMC设计方案

EMC设计中的三要素是：干扰源，受感器以及两者之间的耦合通道。EMC设计的目的就是减少干扰的产生，减弱接收的干扰以及切断耦合通道。

2.1 元器件选型

去耦电容使用等效串联电感（ESL）小的多层陶瓷电容；对辐射较大的器件和模块，选择带屏蔽外壳；使用共模滤波器、磁珠、电容，对信号进行滤波；选用合适的瞬时电压抑制（TVS）管以及空气放电管对输入输出信号进行静电释放（ESD）及过压保护。

2.2 PCB布局

电源滤波器要单独放置，串接在电源的输入进线和隔离电源模块之间，模块之间的距离不宜过长；去耦电容尽量靠近电源管脚；保护电路放置在连接器附近；滤波器放置在连接器附近；晶体/晶振放置尽量靠近芯片；易受干扰的元器件、输入和输出连接器尽量远离噪声源；器件放置距离板边要有一定的距离；连接器放置合理，使设备内部走线尽量短。

2.3 PCB布线

PCB的叠层要选择紧耦合；单端及差分布线按设计阻抗布线；布线换层时需要考虑回路；相邻内层布线要相互垂直，避免耦合；单端线之间，差分线之间设置合适的间隔，避免信号间较大的串扰；对敏感信号线或噪声信号增加地隔离；布线距离板边要有一定的距离；保护器件的连线ESL尽量小，使保护器件能正常动作。

2.4 地设计

地是为电路或系统提供参考等电位的点或面，为电流流回源提供一条低阻抗路径，为噪声提供一个低阻抗通路。根据技术要求，设备电源输入负极和设备机壳地隔离；机壳地和内部地之间提供低阻抗通路。所有车载设备的机壳地通过车架互联，如图2所示。

图2 车载设备互连和接地

2.5 信号的隔离、滤波措施

24/12V电源模块使用隔离电源；设备互联使用接口隔离，接口信号使用共模滤波器滤波；输入电源线采用电源滤波器滤波（共模和差模）；设备内部连接线缆使用磁珠或电容滤波。

2.6 屏蔽设计

2.6.1 机箱屏蔽

主机机箱由顶盖板和机壳组成，机壳采用全金属结构，在适当位置为显示屏和喇叭开口。顶盖板与机壳接缝处安装导电屏蔽胶条，增强盖板与结构主体的电连接。

2.6.2 模块屏蔽

显示屏覆盖导电屏蔽玻璃，显示屏和玻璃的安装在专门的金属支架上，玻璃和支架良好搭接。安装显示屏时，在主机上开一窄缝用于显示屏和主机内部线缆连接，支架和机壳良好搭接，并利用支架来屏蔽接线缝隙。

手柄外壳采用全金属化外壳，连接线缆使用屏蔽线缆，线缆屏蔽层和手柄外壳良好电气搭接。手柄内的按键板，采用4层板，按键等无源器件安装在按键板顶层，有源器件放置在按键板的底层，通过按键板和外壳隔绝外部干扰及内部电磁信号泄漏。

2.7 静电、雷电防护设计

输入/输出线缆及内部互连线缆设计有ESD及过压保护；天线单元内置防雷器，防雷器释放通道为车体。

3 典型问题分析

本节以测试中发现的典型问题为代表，分析根本原因，提出改进方法。

3.1 电源滤波器布局问题

初始主机电源线做电场辐射发射（RE102）测试时，发现辐射严重超标，测试结果如图3所示。

图3 初始主机RE102测试结果（电源线正极，垂直极化）

初始设计中为了便于板卡的生产和维修，要求滤波器焊接到PCB；设备安装要求电源在后面板进线，电源开关位于前面板；用电安全要求通过电源开关完全切断输入电源；初始布局为：电源进线从隔离电源下穿过，通过滤波器，再返回给隔离电源，造成滤波器和隔离电源的布局不合理。初始布局如图4所示。

图4 初始电源模块和滤波器布局

以上布局存在3个问题：1）电源进线长度过长；2）隔离电源可以旁路滤波器，将噪声耦合到电源进线，电源滤波器的作用削弱；3）电源进线部分的PCB内层没有掏空，噪声容易通过内层耦合到电源进线。

为解决上述问题，提出4条改进措施：1）滤波器单独放置在电源进线侧，并设置隔离舱；2）电源进线经过滤波器，通过短线连接到隔离电源，电源开关通过控制信号接地来控制隔离电源的工作状态；3）内部线缆双绞；4）电源输入部分的PCB内层全部掏空。改进后的PCB布局如图5所示，测试结果如图6所示。

图5 改进后的电源模块和滤波器布局

图6 改进后的主机RE102测试结果（电源线正极，垂直极化）

3.2 串口干扰问题

初始主机调试时，发现主板启动过程中，在没有外接串口线的情况下，串口接收（RX）信号容易受到串口发送（TX）信号干扰。干扰信号如图7所示。

图7 初始设计主机主板串口RX的干扰信号（1V/div）

查看原理图，发现串口TX/RX信号线接有TVS管，TVS管一端接TX信号线或RX信号线，一端接机壳地。该型号TVS管的寄生电容大约在1000pF左右。当TX信号线有数据输出时，在上升沿/下降沿处有高频信号存在，高频信号通过两个TVS管耦合到了RX信号线。如图8所示。

图8 串口收发耦合示意图

为解决上述问题，在机壳地和信号地之间增加一个0.1uF电容，高频信号大部分通过这个电容返回，只有小部分耦合到RX信号线。如图9所示。

图9 增加电容减小信号回路阻抗

测试后发现RX信号线上干扰信号幅度降低了30dB左右，如图10所示。

图10 增加0.1uF电容后RX上耦合的干扰信号（50mV/div）

3.3 以太网线辐射超标问题

辐射值超过限值时，一般应查找噪声源，减弱噪声信号强度，若不奏效，使用屏蔽措施，可获得良好的效果。

在对设备的以太网线进行RE102测试时，测试结果超标。如图11所示。

图11 原始以太网线的RE102测试结果

PCB布线显示，信号线在共模滤波器后布线过长，导致共模电流大。虽然网线已采用了屏蔽措施，但共模电流仍通过外层屏蔽返回，造成辐射超标。共模电流流向如图12所示。

图12 屏蔽网线上的共模噪声

因无法有效消除噪声，采用双层屏蔽，使用外屏蔽层来屏蔽内屏蔽层上的共模电流，如图13所示。采用双层屏蔽后，该网线的RE102辐射降低，如图14所示。

图13 双层屏蔽网线共模噪声

图14 双层屏蔽网线的RE102测试结果

本文基于EMC设计的三要素（干扰源，受感器以及耦合通道），提出EMC设计方案及解决问题的方法。该方案及方法已在某车载调度终端的设计和测试中证明有效，对其他设备的设计也具有一定的借鉴意义。对于EMC问题的解决，一般采取滤波，屏蔽及接地等措施，但问题的定位是难点，在实际的工作中具体问题要具体分析。