機載計算機電源接地研究與設計

馬 鐘

（揚州市江都區(qū)職工學校，江蘇 揚州 225200）

0 引言

機載電子產(chǎn)品的工作穩(wěn)定性與可靠性與產(chǎn)品的有效接地具有重要的關系，科學有效的接地能夠?qū)υO備的安全以及人身安全提供重要的保證，同時也能夠?qū)ぷ鬟^程中產(chǎn)生的電磁干擾具有顯著的抑制作用[1]。實踐表明，正確有效地接地能夠解決設備工作過程中大部分的干擾問題。機載計算機電源采用的高頻開關電源在開關的瞬間會產(chǎn)生尖沖電壓以及尖沖電流，給設備的安全以及穩(wěn)定運行帶來了不利的影響。因此設計進行地線設計，采用有效的接地方式，降低設備在運行過程中的干擾的研究具有重要的實踐應用價值以及理論價值[2]。

1 接地方式概述

1.1 單點接地

單點接地適用于低頻電子設計領域，在系統(tǒng)工作頻率在1 MHz以下的時候，單點接地的方式可以有效降低共模抑制干擾的問題。在接地結構方式上單點接地可以分為串聯(lián)單點接地以及并聯(lián)接地的方式，結構如圖1所示。

圖1 單點接地的兩組方式

串聯(lián)單點接地的面臨的最大問題就是接地的效果會收到接地導體自身阻抗的影響，因此在低頻應用領域一般都會采用分離接地（并聯(lián)接地）的方式進行。分離接地的方式可以降低不同電路之間電流之間的耦合。分離接地的每一路接地的效果僅僅收到本支路電流以及導線阻抗的影響，但是分離接地的方式需要更多的接地線，增加了系統(tǒng)的成本。

1.2 多點接地

多點接地的方式一般在工作頻率大于10 MHz的情況下。在數(shù)字系統(tǒng)以及高頻系統(tǒng)中，多點接地的方式可以降低阻抗。多點接地方式中所有的電路都會被連接到機架或者機箱等常見的低電阻平面，合理的控制地平面的低電感可以實現(xiàn)對地阻抗的控制。設備接地設計過程中要盡可能減少電路與地平面之間的連接長度，降低接地線的阻抗。多點接地存在的不足，主要表現(xiàn)形式就是接地會形成環(huán)路干擾，在接地距離不當?shù)臅r候會產(chǎn)生共振干擾等方面的問題，所以需要對噪聲的頻率范圍進行認真考慮，避免多點干擾接地問題的產(chǎn)生[3]。

1.3 混合接地

在不同頻率的應用場合，接地要求也是不同的，在實際設計過程中都用電容、電感等器件的頻率特性實現(xiàn)對電路系統(tǒng)的配置。在頻率較低的工作場合，電容呈現(xiàn)高阻抗，電感呈現(xiàn)低阻抗，在高頻段時，電容呈現(xiàn)低阻抗，電感呈現(xiàn)高阻抗。利用電容電感的頻率特性可以實現(xiàn)電路接地時的多點或者單點接地。點電子產(chǎn)品的印制板設計過程中，一般都要求地線的寬度較大，并合理進行接地端的面積擴展。同時對于數(shù)字地與模擬混合系統(tǒng)要能夠進行數(shù)字地域模擬地的區(qū)分，并分開進行設置，模擬地與數(shù)字地在系統(tǒng)中只能夠采用一個共地點，不能夠采用多點的方式，在拓撲結構方面采用散射狀實現(xiàn)模擬與數(shù)字地的連接。

2 機載計算機電源布局設計與接地方案

機載計算機與一般的計算機的工作環(huán)境存在較大的差異，一般其供電環(huán)境都較為惡劣，容易受到電磁場以及其他因素的干擾。通過合理進行機載計算機電源的設計與接地方案規(guī)劃，保證電源的正常工作就顯得尤為重要。一般機載計算機的電源都是采用的開關電源，并工作在高頻狀態(tài)，功率管在開關的瞬間會伴隨較大的尖沖電壓或者尖沖電流，并在電路內(nèi)部產(chǎn)生顯著的磁場與電場干擾，最終在地線上積累形成噪聲電壓。如果地線設計不合理，噪聲電壓會引起自激振蕩等不利影響，對機載計算機產(chǎn)品的正常穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利的影響。

從實際的工作經(jīng)驗分析，在高頻工作領域一般都是采用多點接地的方式，對于電路中的功率變化與控制電流要能夠采用合理的耦合方式降低產(chǎn)品之間的工作影響，設置合理的接地點，同時對于功率管以及整流管等噪聲較為顯著的部件可以采用電容進行差模與共模干擾抑制，用來降低工作過程中的開關噪聲。開關電源電路布局圖如圖2所示。

圖2 開關電源電路布局

高頻開關電源中，電源變換器中的功率管的開關狀態(tài)高度切換會帶來高頻的大電流在功率管等器件上流過，當印制板導線的長度較長時就會產(chǎn)生顯著的電壓降[4]，因此功率地域信號控制電路的布線不分開，壓降就會對控制電流的工作行程干擾，導致電源的不穩(wěn)定工作。

高頻開關電源采用了PWM電路。PWM輸出的穩(wěn)定度對電源的穩(wěn)定工作有直接的影響，使用過程中，PWM芯片以及外圍電路需要接地，一般采用模擬地SGND，相應控制電路的接地也應該選擇在這一點上，控制電路中輸出電壓的采樣值放大電路的接地點也選擇在這一點，接地信號同時要能夠采用電容濾波進行單點接地。采用這樣的模式后，電源電路中所有的元器件都能夠使用該接地點作為電流返回點，并通過單點的方式實現(xiàn)與電源變換器的有效連接[5]。這樣的方式可以有效避免開關噪聲，降低對電源控制回路的影響。實踐證明，通過以上改進以后，高頻開關電源電路的穩(wěn)定性得到了有效改善，在機載計算機電源的整體供電范圍內(nèi)（18～32 V）均有效消除了振蕩現(xiàn)象，保證了電源的穩(wěn)定有效供電。

同時，考慮到電源變換電路本身的抗干擾能力，在變壓器的初級地跨接大濾波電容CX，可以實現(xiàn)對電壓器繞組分布電容以及輸入輸出地的地電位差所引起的共模干擾，提升共模抑制比。

3 結語

本文通過對某型機載計算機電源產(chǎn)品的接地分析和設計后，產(chǎn)品的工作特性得到了極大改善，在隨整機進行基于GJB 151A和GJB 152A的電磁兼容試驗中，通過了CE102、RE101、RE102等項目的全部試驗，且工作穩(wěn)定可靠。通過合理的布線和接地設計，有效地解決了噪聲問題，實現(xiàn)了機載計算機電源的穩(wěn)定可靠工作。