船舶機艙電氣設(shè)備的電磁兼容設(shè)計研究

摘要：惡劣的運行環(huán)境對船舶機艙機電設(shè)備的質(zhì)量檢測標準、技術(shù)條件及工作性能提出了較高要求。為確保技術(shù)條件與工作性能可以有效滿足運行要求，使設(shè)備運行過程安全可靠，應(yīng)根據(jù)船舶機艙空間配置外形尺寸合適的電氣設(shè)備，保證設(shè)備本身的自動化運行程度達到強制性標準。文章研究了船舶機艙的電氣設(shè)備EMC設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞：船舶機艙；電氣設(shè)備；電磁兼容設(shè)計；濾波設(shè)計；屏蔽設(shè)計；布線設(shè)計 文獻標識碼：A

中圖分類號：U665 文章編號：1009-2374（2017）02-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.012

電磁兼容（EMC）指的是同一電磁環(huán)境下的電氣主系統(tǒng)、電氣分系統(tǒng)、電氣設(shè)備能夠獨立執(zhí)行各自的功能，且工作性能可以達到規(guī)定安全裕度下的設(shè)計標準，電磁環(huán)境與電磁干擾不會嚴重損害電氣設(shè)備的工作性能或引起性能失效，工作性能的降級程度與惡化程度處于可接受的范圍內(nèi)或正常工作的電氣系統(tǒng)及電氣設(shè)備不會產(chǎn)生嚴重的電磁效應(yīng)、電磁影響及電磁干擾。EMC設(shè)計的實質(zhì)是電磁防護與安全共存，減少電磁干擾、電磁騷擾，避免電磁環(huán)境對電氣設(shè)備產(chǎn)生破壞效應(yīng)。船舶機艙中的電氣設(shè)備承擔著識別、導航、通信、抗干擾等功能，EMC設(shè)計問題異常復(fù)雜，需要考慮EMC的相互關(guān)聯(lián)性、設(shè)備功能性實現(xiàn)要求及電磁干擾的傳輸通道、干擾體、干擾源，以提升設(shè)備的抗擾度。

1 設(shè)計方法

1.1 濾波設(shè)計

濾波的作用包括干擾信號線與干擾電源，在船舶機艙中開展EMC設(shè)計時通常需要使用濾波器，可在傳輸線路中直接串聯(lián)濾波器，串聯(lián)后濾波器中的鐵氧體、電阻、電容器及電感器等可產(chǎn)生特定頻率，特定頻率具有選擇傳輸網(wǎng)絡(luò)及抑制干擾頻率的作用。設(shè)計濾波器時應(yīng)注意降低電源頻率損耗量，對于電磁環(huán)境中的其他頻率，在設(shè)計時應(yīng)盡量適配，以強化濾波器的損耗吸收、頻率抑制及頻率反射性能，從而有效抑制可產(chǎn)生干擾作用的電磁頻率。為了適應(yīng)船舶機艙中的特殊運行環(huán)境，設(shè)計濾波器時可優(yōu)先選擇低通形式?？蓪V波器安裝在電氣設(shè)備的電源端，安裝方法為并聯(lián)與串聯(lián)的組合形式，為確保濾波器的工作過程能夠與電源輸入過程實現(xiàn)有效契合，可采用π型、T型或L型設(shè)計方案。由于接地電阻可對濾波器的工作性能產(chǎn)生影響，同側(cè)引線可產(chǎn)生輻射耦合效應(yīng)，因此要避免在相同的屏蔽體中設(shè)計濾波器的輸出引線與輸入引線，確保輸出引線、輸入引線互不干擾，且不能互相交叉或在同一側(cè)。對于經(jīng)過電源開關(guān)或保險絲的引線，可以設(shè)置線路隔離裝置，避免引線交叉。

1.2 屏蔽設(shè)計

屏蔽設(shè)計指的是利用屏蔽材料封閉干擾源或敏感電路，以降低設(shè)備外部或內(nèi)部的電磁效應(yīng)、電磁強度，設(shè)計原理為使用屏蔽體引導、吸收及反射電磁能流，屏蔽抑制屬于雙向電磁抑制設(shè)計形式，可形成干擾電磁傳播的空間場域，即屏蔽區(qū)域。外部空間電磁輻射進入屏蔽區(qū)域及屏蔽區(qū)域內(nèi)的電磁輻射能量向外泄露的過程均受到限制，因此可以確保電氣設(shè)備實現(xiàn)EMC，如電磁場中存在高頻干擾信號，可采用電阻率較低的屏蔽體抵消外來電磁波，從而有效屏蔽能夠產(chǎn)生干擾作用的電磁。屏蔽體在吸收電磁波及反射電磁波時，特征阻抗與波阻抗存在一定的偏差，特征阻抗與波阻抗之差增大時，反射損耗也會隨之增加。電磁波穿透設(shè)備的屏蔽體后，可出現(xiàn)感生渦流，感生渦流可影響吸收損耗，如電磁波頻率不斷升高，則會造成渦流損耗逐漸增大。

1.3 布線設(shè)計

對于船舶機艙設(shè)備的電源線與地線，設(shè)計時應(yīng)注意把握好以下要點：為降低電磁阻抗與電磁噪聲，進行EMC設(shè)計時應(yīng)盡可能增加走線的跨度及縮短地線的長度。對于常規(guī)雙面板，可沿電路板兩面的垂直方向與水平方向連接地線，使集成電路形成網(wǎng)格地線系統(tǒng)，可采用金屬材料聯(lián)結(jié)網(wǎng)格系統(tǒng)中的交點，確保接地網(wǎng)能夠正常工作。如電氣設(shè)備中安裝的電路板達到兩層或兩層以上，應(yīng)設(shè)計電源面或接地面，縮小地線與電源線之間的距離，注意使數(shù)字地線與模擬地線實現(xiàn)分開走線，同時防止不同的地線之間形成回路。

設(shè)計高速邏輯系統(tǒng)時，應(yīng)處理好地線毛刺?？刹捎梅庋b法處理地線毛刺，封裝時可采用陶瓷、DIP或PLCC。如采用封裝法無法有效處理毛刺，還可以將增強型驅(qū)動器或電阻接入輸出端。此外，在設(shè)計配線方案時，不但要考慮便于維修、便于改線、美觀性及經(jīng)濟性要求，還應(yīng)注意抑制干擾源與靜電。設(shè)計原則為走直線，確保信號線路與電源線路之間隔開一定距離，不應(yīng)在高壓線周圍設(shè)計信號線，注意分開布設(shè)容易產(chǎn)生電磁污染的線路（供電線路、開關(guān)電源線路、變壓器線路等）與無電磁污染的信號線（電阻線路、二極管線路、晶體管線路、邏輯運算電路等）。

2 案例分析

2.1 電磁干擾特點

某船舶機艙中安裝了自動化監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能為監(jiān)測船舶動力裝置的運行參數(shù)，監(jiān)測點共為87個，電氣系統(tǒng)中安裝了大量輸入接口，傳感器向輸入接口傳輸信號時可形成電磁干擾，再加上機艙中安裝了大量調(diào)速器與電磁閥，調(diào)速器與電磁閥在工作時也會產(chǎn)生電磁干擾，因此監(jiān)控系統(tǒng)中的電氣設(shè)備處于較強的電磁干擾環(huán)境中，干擾途徑包括傳導耦合與輻射耦合。傳導耦合分為電感耦合、電容耦合及電路耦合三種形式。輻射耦合包括近場耦合與遠場耦合兩種形式，近場耦合指的是電氣設(shè)備內(nèi)部電路產(chǎn)生的耦合干擾，遠場耦合指的是船舶機艙中的自動化控制設(shè)備產(chǎn)生的耦合干擾，如繼電器、接觸器、空壓機、淡水泵、燃油泵及滑油泵等產(chǎn)生的電磁干擾。

2.2 設(shè)計方法

2.2.1 屏蔽設(shè)計。電氣設(shè)備機柜殼體材質(zhì)為鋼材，磁導率為140，導電率為0.1，設(shè)計時需考慮屏蔽體實際厚度與屏蔽效能之間的關(guān)系，本例的電磁頻率為100MHz，屏蔽體的厚度為1.5mm。屏蔽效能由反射損耗、吸收損耗決定，計算公式為：

SE=Ra+Re

式中：SE為屏蔽效能；Ra為吸收損耗；Re為反射

損耗。

本例中Ra為4394.3dB，Re為59.6dB，SE為4453.9dB，可滿足EMC設(shè)計需要。對于設(shè)備機箱的縫隙，設(shè)計時依據(jù)以下公式計算屏蔽效能：

SE=Ba+Rc=27.3（t/g）+20lg

式中：Ba為傳輸損耗，單位為dB；Rc為縫隙反射損耗，單位為dB；N為波阻抗比值；g為縫隙長度，單位為cm；t為搭接深度，單位為cm。

船舶機艙中的入射場屬于平面波場，因此：

N=10-3fg×6.69×j

式中：f為頻率，單位為MHz；g為縫隙長度，單位為cm；j為場源與屏蔽體之間的距離，單位為cm。

通過分析上述公式可知，機箱縫隙的屏蔽效能與搭接深度、縫隙長度有關(guān)，增加搭接深度與縮短縫隙長度可增強屏蔽效能。由于設(shè)備的連接螺釘可產(chǎn)生較大阻抗，因此需要將機箱側(cè)面的結(jié)合部位設(shè)計成焊接形式，為避免焊接結(jié)合面時出現(xiàn)高溫變形問題，應(yīng)使用斷續(xù)焊形式。本例中機箱折邊寬度為3cm，轉(zhuǎn)門的厚度為1.5cm，t為4.5cm，可根據(jù)公式g=t×27.3/SE，計算得出縫隙長度應(yīng)<2cm，即焊接機箱側(cè)面時應(yīng)確保焊點之間的距離<2cm，以保證SE>80dB。

2.2.2 濾波設(shè)計。在分析及實測電源干擾情況后發(fā)現(xiàn)，開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾頻域與頻率均達到了200Hz左右，因此在設(shè)計時需要采用低通型濾波器。由于設(shè)備的電源線同時存在差模干擾與共模干擾，因此設(shè)計時要注意綜合差模濾波線路與共模濾波線路。選擇濾波器時需測量電磁干擾頻帶與電平，根據(jù)測量結(jié)果與EMC標準選擇濾波器，確保濾波器的頻帶能夠有效抑制超標信號。在本例中，根據(jù)CE102標準測試了電源電磁干擾情況，根據(jù)測試數(shù)據(jù)選擇EMC濾波器。在電源線路中安裝EMC濾波器后，有效抑制了電磁干擾。

2.2.3 布線設(shè)計。布線時注意保證線束內(nèi)線組之間的電平差<30dB，如需將線束組設(shè)計成平行敷設(shè)形式，需保證線束間距>3cm。將屏蔽線作為敏感線或高電平線，屏蔽線屏蔽效能均≥30dB。為實現(xiàn)電氣隔離，在設(shè)計時分開了弱電系統(tǒng)與強電系統(tǒng)、數(shù)字電路與模擬電路，盡量避免將弱電設(shè)備布置在強干擾區(qū)域，分開捆扎信號電纜、動力電纜，將光纜及屏蔽電纜作為信號電纜，供電電纜均為屏蔽電纜。由于設(shè)備的PCB板中安裝了時鐘信號，時鐘信號屬于周期信號，頻域能量較為集中，是EMC設(shè)計的難點。對于PCB板中的時鐘電路EMC設(shè)計，采用了以下方案：時鐘電路電源處于輸出狀態(tài)時，可產(chǎn)生灌電流或瞬態(tài)電流，為減小灌電流與瞬態(tài)電流造成的電磁沖擊，在電源中設(shè)計了隔離裝置與濾波裝置。另外，振蕩器電路中的射頻電流也會產(chǎn)生輻射耦合，因此采用了振蕩器金屬外殼連接地平面的設(shè)計形式，使瞬態(tài)電流可以向地平面瀉放。在端接設(shè)計方面，本例的時鐘輸出管腳為空載開路形式，開路管腳發(fā)生全反射時會引起PCB板中出現(xiàn)高次諧波干擾。

3 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代船舶機艙擁有高度集成的電路、較快的總線速度、時鐘頻率較快的數(shù)字設(shè)備及性能不斷強化的電子設(shè)備，電氣設(shè)備的工作頻率重疊或高度密集，這就可能迅速增加電磁功率的密度，加重電磁干擾。應(yīng)通過EMC設(shè)計抑制電氣系統(tǒng)與電氣設(shè)備的干擾源，減弱及切斷干擾耦合，并增強抗干擾性能及減少部分電磁敏感器件及敏感電路，以保證設(shè)備工作性能的可靠性以及安全性。在開展EMC設(shè)計工作時應(yīng)采用完整的屏蔽體，保證濾波的信號線設(shè)計、電源線設(shè)計與輸入輸出設(shè)計達到要求。還應(yīng)做好接地設(shè)計工作，選擇最佳的接地點，根據(jù)等電位設(shè)計接地點的數(shù)量，以確保接地路徑可以有效消除或削弱電磁干擾。此外，開展EMC設(shè)計工作時，應(yīng)兼顧設(shè)備安全設(shè)計，避免機艙中的電氣設(shè)備對操作人員的人身安全構(gòu)成威脅。

參考文獻

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作者簡介：蘇碧宣，男，福建永定人，福建省海警第一支隊助理工程師。

（責任編輯：黃銀芳）