通信车载综合电源电磁兼容设计与整改

张锦升，刘佳俊，徐一玮，任志敏

（武汉龙安集团有限责任公司，湖北 武汉 430070）

0 引 言

20 世纪50 年代，美国宇航局为了满足火箭搭载电源微型化、质量轻的要求，开发出首个移动电源[1]。随着导体技术与集成电路的发展以及大量新型车载通信设备的列装，车载综合电源逐渐向集成化方向发展。

线性电源以其稳定的工作状态曾经风靡一时，但随着能源的枯竭以及大规模集成电路的发展，人们对电源的功耗、效率、体积和重量的要求也越来越高。开关电源具有效率高、体积小等优点，但也会因高速开关器件的使用带来较大的脉冲干扰，其谐波成分会污染电网和车内电磁环境。对车载电源的干扰进行有效抑制，成为车载电源设计的难点。

1 车载综合电源及电磁兼容概述

1.1 车载综合电源

车载系统的供电手段主要有市电供电、油机供电、硅整流发电机供电以及蓄电池供电。各供电电源有不同的特点，市电供电稳定、可靠，但是只能在驻车情况下取电，使用存在一定的限制；油机能在机动条件下供电，但是输出的电品质较差；硅整流发电机需要在载车启动后才能工作；蓄电池供电时长受电池容量限制。当市电正常时，优先使用市电供电，经过交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）输出为业务系统供电，同时为车载蓄电池组充电。在行车、野外等无法提供市电输入时，综合电源系统选择油机给负载供电，同时给蓄电池充电。为达到不间断供电，保持通信顺畅和保存运行数据；在市电和油机切换过程中，由硅整流发电机或车载蓄电池线性稳压给设备供电[2]。综合电源组如图1 所示。

图1 车载综合电源

1.2 电磁兼容概述

所谓电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）指电子设备处在公共的电磁环境，能正常工作不会出现相互干扰，达到一种共存并不致引起降级的状态[3]。

随着电子通信技术的不断进步，现代通信车、舰船、飞机等装备向着高频化、高灵敏度、高集成度以及高安装密度的方向发展，在有限空间内集成的通信设备数量越来越多，装备的性能得到了很大提升，但设备之间互相干扰的EMC 问题也日趋严重。因此，解决好EMC 问题，防止其影响装备性能的有效发挥越来越重要。

例如，某通信车的一款大功率无线通信设备，在进行大功率发射时，有可能干扰到车内综合电源的正常工作，使综合电源检测到误告警信号而自动切断电源输出，导致车内通信系统完全瘫痪。经过分析，造成上述问题的原因主要是综合电源的EMC 性能不足，没有很好的滤波设计，使得无线通信设备发射时产生的干扰信号通过电源电缆传导到综合电源内部取样电路，干扰到综合电源取样信号，导致综合电源断电。

车载综合电源的核心为开关电源模块，开关电源的工作原理是利用高速开关管，实现电源电压的变换。根据傅里叶变换，这种开关产生的强脉冲信号会带来很多的高次谐波成分，使得电源成为一个很强的干扰源[3]。

2 车载综合电源的电磁兼容设计

综合电源在研制初期就应该充分考虑EMC 设计，减少后期试验过程中出现相关问题的风险。干扰信号的主要耦合途径是辐射和传导。因此，在车载综合电源设计初期，重点考虑屏蔽和滤波等设计。

2.1 车载综合电源的结构设计

车载综合电源采用铝型材机箱，机箱面板和盖板通过螺钉紧固。因一般完全密闭的金属型材在高频基本都能实现100 dB 以上的屏蔽效果，所以车载电源电源EMC 结构设计的重点是减小机箱与盖板之间的孔缝[4]。机箱与盖板通过螺钉固定后，螺钉的压力不均会导致盖板发生一定的形变，在机箱与盖板之间会形成缝隙。缝隙是影响金属机箱屏蔽效能的重要因素[5]。

缝隙设计的准则是单个空隙L的最大尺寸为λ/10 ～λ/100，一般不会存在电磁泄漏的问题[4]。因本电源模块的开关频率在120 kHz 附近，考虑谐波等因素，干扰频率也一般不会超过100 MHz，因此选择机箱安装螺钉的间隔不大于λ/30。

此外，可通过以下措施提升综合电源的屏蔽性能：（1）在电源外部连接器与机箱间添加导电衬垫，提高接插件的密封性减小孔口；（2）在机箱与盖板接触面压接指型簧片，保证机箱导电的连续性，不至于引起辐射发射；（3）对起屏蔽作用的金属件进行导电氧化处理，增加导电性能。

2.2 车载综合电源的滤波设计

通过机箱的屏蔽设计能有效抑制噪声的空间辐射干扰，但对于综合电源输入输出电缆传导的路径，只能通过滤波设计切断传播。

不用元素的对称性，对图3上图的A5阵进行含规格化的高斯消元后可得图3下图的阵。其中，对第1行的4个元素规格化，再第1列元素消元，需计算4*4=16个元素；对第2行的3个元素规格化，再对第2列元素消元，需计算3*3=9个元素；对第3行的2个元素规格化，再对第3列元素消元，需计算2*2=4个元素；对第4行的1个元素规格化，再对第4列元素消元，需计算1个元素。因此，不用元素的对称性所得到图3下图的阵，需规格化10个元素，计算30个元素。

接口滤波器的应用可以有效抑制电源内部开关噪声向外界传导，也可以抵御外部环境传递过来的干扰信号。因此，电源接口滤波器是车载综合电源系统的重要组成部分。

电源接口滤波器是以抑制干扰信号为目的，这就决定了滤波器的工作原理，它必须要让干扰信号尽可能失配。一般干扰信号的频率相对较高，电容有高频低阻，电感有高频高阻的特性，将电感、电容以不同的形式进行搭配组合，就可以构成几种常见的滤波器模型，如L 型、T 型和π 型。

电源接口滤波器与常规低通滤波器的区别在于，常规低通滤波器关注的是幅频特性、相位特性、群延时等，而电源接口滤波器关注的是插入损耗、能量衰减等。一般情况下，常规滤波器的工作电压低，工作电流小，源端和负载特性单一，电源接口滤波器的工作电压高，额定电流比较大，耐冲击电流能力强，使电源接口滤波器不能完全参照一般滤波器设计。

经过带入多种市场常见的电容电感参数，使用Filter Solutions 软件进行多次仿真，得出了满足滤波器体积和插入损耗要求的滤波电路。交流滤波电路如图2 所示，直流滤波电路如图3 所示。

图2 交流滤波电路

图3 直流滤波电路

3 车载综合电源电磁兼容整改

车载电源设计完成后，需要通过EMC 测试来检验其EMC 性能能否满足要求[6]。对车载电源样机进行了CE102、CS101、CS114、CS115、CS116、RE102、RS103 共7 项电磁兼容测试，测试结果为6 项满足要求（CE102 除外）。该项测试主要是考核电源对外输出的传导干扰，这种干扰有可能污染电网环境或干扰车内其他装备工作。车载电源在10 ～20 kHz 频段出现了超标问题，在10.4 kHz 和18 kHz 频点分别超标约3 dB 和6.3 dB。

增加X 电容的基本原理是，在干扰传出车载分布式电源之前，提供一条低阻释放的路径，将信号提前引回源端，从而避免干扰溢出。

车载电源几个超标频点是10.4 kHz、18 kHz，相对来说频率较低，仿真受高频分布参数的影响较小，使用Filter Solutions 软件对滤波器性能仿真的结果接近于真实值，因此先使用Filter Solutions 软件仿真，达到插入损耗的基本要求后，再根据仿真的电路形式对交流滤波器进行整改和复测。

考虑大电容滤低频的特性，首先在电感前加一个常见较大容值的3.3 μF 电容。通过仿真，这时交流滤波器在这2 个频点的插入损耗分别变为31 dB、36 dB，相当于滤波器抑制干扰的性能在这2 个频点分别提高5 dB。考虑实际测试结果还会受到其他因素的影响，如源阻抗、负载阻抗和高频参数不是理想值，满载加电电容和电感性能会发生改变，温度也有可能使器件性能下降等客观因素。整改需要留一定裕度，插入损耗需要设计的更高，因此必须继续再增加一级X 电容。

增加两级X 电容后仿真，这时交流滤波器在10.4 kHz、18 kHz 频点的插入损耗变为41 dB、45 dB，相当于滤波器性能在这2 个频点分别提高了10 dB、9 dB。按照仿真结果，车载电源这2 个频点干扰值应该低于测试极限并且有一定安全裕度。于是按加两级X 电容的方式对车载电源滤波器进行整改和复测，复测结果如图4 所示。

图4 车载电源CE102 复测结果

采用以上整改措施后，车载分布式电源顺利通过了CE102 测试。

4 结 论

文章简单介绍了通信车车载综综合电源组成原理和车载电磁兼容设计的意义，介绍了综合电源屏蔽、滤波等电磁兼容预设计的方法，重点叙述了电磁兼容超标时的整改过程。文章对电源类产品电磁兼容性设计及整改具有一定指导意义。