船用电气电子设备电磁兼容共性问题及解决方案

2019年第1期总第347期
造船技术
M ARIN E TECH NO LO GY
No. 1
Feb.，2019
文章编号：1〇〇〇-3878(2〇19)〇1-〇〇〇7-〇7
船用电气电子设备电磁兼容共性问题及解决方案
王军1，刘雄2,刘红2，琚格格2
(1.中国船级社武汉分社，湖北武汉430205;
2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北武汉430205)
摘要对中国船舶工业武汉机电产品环境与可靠性试验检测中心大量船用电气电子设备电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，EM C)检测数据进行统计分析，总结船用电气电子设备在E M C试验过程中普 遍出现的问题，为船用电气电子设备的研发和认证提供可靠的E M C防护设计参考。

关键词船用电气电子设备;E M C检测认证;E M C防护；传导发射;辐射发射
中图分类号U665 文献标志码 A
Solution to Common Problems on EMC for
Marine Electrical and Electronic Equipment
WANG Jun1，LIU Xiong2，LIU Hong2，JU Gege2
(1.Wuhan Branch,China Classification Society,Wuhan 430205, Hubei,China；
2.The 722 Research Institute of CSIC,Wuhan 430205, Hubei,China)
Abstract The common problems of marine electrical and electronic equipments during the Electro Magnetic Compatibility (EMC)test are summarized,through the statistical analy­sis on EMC data of these equipments from Wuhan Environment and Reliability Test Center for Mechanical and Electrical Products of China Shipbuilding Industry Corporation,which pro­vides reliable EMC protection design reference for the research and development of marine electrical and electronic equipments.
Key words marine electrical and electronic equipment；Electro Magnetic Compatibility (EMC)testing and certification；EMC protection；conduction emission；radiation emission
◎引言
目前船用电气电子设备主要依据中国船级社 (简称CCS)制定的GD 01 —2006《电气电子产品型 式认可试验指南》(该指南的更新升级版本GD 22 —2015《电气电子产品型式认可试验指南》已发布，新 旧指南在测试项目、测试方法和测试要求上并无本 质区别。

本文的分析内容虽以旧版本GD 01 —2006 指南为基础支撑，却同样适用于依据GD 22 —2015 新指南进行型式认可的电气电子产品）进行电磁兼 容性型式认可试验，该试验指南包括具体的测试项 目以及相应的测试方法和测试要求。

产品在EM C检测认证过程中如果出现反复测 试、多次整改的情况，设备厂商将承担大量超出预算 的检测认证费用，同时，项目也可能因此延迟交付。

C C S联合中国船舶工业武汉机电产品环境与可靠性 试验检测中心（简称“检测中心”)对其长期累积的检 测数据进行统计分析，总结产品在试验过程中易出 现的普遍问题。

对这些问题的分析总结，可为其他 产品的电磁兼容性设计提供参考，使其能一次性通 过E M C检测认证。

检测中心于2014年1月一2016年6月共完成 53台（套）民船电气电子设备的E M C检测认证，其 中13台（套）设备出现了电磁干扰现象。

在这些不
作者简介：王军（1973 —），男，高级工程师，研究方向为电器检验
迻船技术2019年第1期（总第347期）
合格产品中出现不合格测试项的总次数为17次，其 中传导发射次数为4次，端口辐射发射次数为10次，浪涌抗扰度次数为1次，电快速瞬变脉冲群 抗扰度次数为1次、静电放电抗扰度次数为1次。

具体如图1所示。

浪浦抗扰度
电快速瞬变豚冲群 6%
抗扰度6%
静电放电
6%
传导发射测量
外端口辐射发射
测量58%
图1不合格项次数统计
由图1可知，发射测量试验在不合格测试项目 中占较大比重。

本文重点分析发射测量试验项目的 实质、试验故障产生的原因，并结合实际案例总结电 气电子产品EM C设计防护的注意事项。

1发射骚扰测量的实质
发射测量的目的是通过测试对电气电子设备的 骚扰发射进行符合性判断，防止其对其他电子设备 产生不良影响。

从骚扰能量的发射途径上划分，骚 扰发射分为传导性发射和辐射性发射。

1.1传导发射测量实质
传导发射测量是测量电气电子设备所产生的并 出现在其供电端口（交流和直流）的任何信号。

这些 信号能在船舶供电系统中传导，从而可能骚扰其他 设备。

该测试的目的是保障船上配电系统的电源质 量。

传导测量的测试框图如图2所示。

图2中曲线1和曲线2为受试设备(Equipment Under Test，E U T)电源线上干扰信号主要回路。

测量接收机信号输入端与图中“测量接收机输入端”相连，接收机输入端口阻抗为50 接收机上最终 的测试结果是线路阻抗稳定网络（Line Impedance Stabilization Network，LISN)中 1kn 电阻与接收 机50 n内阻并联后的等效电阻上的电压。

因此，要 控制接收机上的最终测试结果，需控制流过该等效
LISN
图2传导测试框图
电阻上的电流，这是控制传导发射的关键[1]。

1.2外端口辐射发射测量实质
外端口辐射发射测量是测量电气电子设备产生 的电磁场干扰信号，其目的是对电气电子设备的辐 射发射进行符合性验证，以保障船上电气电子设备 不会相互干扰。

辐射发射测量的实质是测量产品中 两种等效天线所产生的辐射信号强度，第一种等效 天线模型是信号回路，第二种等效天线模型是单极 天线（或对称偶极子天线）。

最终的测量结果主要由 两部分相加得到，一部分是接收机测量到的接收天 线感应到的电场强度，另一部分为该天线的天线系数。

2分析设备发射干扰产生的原因
2.1传导发射干扰产生的原因
传导发射按照产生发射的机理分为谐波发射和 射频发射。

谐波发射是指交流电的谐波成分的发 射，其产生的主要原因是设备的非线性导致的工作 电压、电流的畸变；射频发射是更高频率的骚扰成 分，这些骚扰成分主要来自于开关电源的频繁切换 以及数字电路高低电平的转换、感性负载的切换等。

另外，供电电源线也可能感应外部空间的辐射干扰 而产生射频传导干扰。

2.2辐射发射干扰产生的原因
电气电子产品产生辐射发射的两个必要条件是 驱动源和辐射发射天线。

驱动源包括系统内各个电 路正常工作时产生的有用信号源和由于产品中存在 的未知信息（包括线路之间的寄生电感、寄生电容 等)在等效天线中感应寄生的干扰信号;辐射发射天
线主要包括产品电路板上环路等效天线和单极等效
王军，等：船用电气电子设备电磁兼容共性问题及解决方案
天线（或对称偶极子天线）。

满足以上两个必要条件 后，产品在工作时就会向空间环境辐射信号。

3骚扰发射测量应对措施
传导发射测量和辐射发射测量都是测量产品自 身向周围环境传递出的电磁能量，测试值过高会对 邻近的无线接收设备或灵敏设备造成干扰。

3.1传导发射的抑制方法
电源线上的高次谐波和电源线上感应的共模、差模干扰信号是引起测试结果不满足电磁兼容标准 要求的主要原因，而抑制流过等效电阻上的电流是控制传导发射的关键。

结合实验室实际检测情况，主要的措施方法包括：滤波处理、接地处理、部件结 构布局调整。

3.1. 1滤波处理
滤波处理的主要目的是通过滤波处理，为骚扰 信号提供合适的电流回路从而减少流过等效电阻的 电流。

由于电路系统中任何部分的骚扰信号都可能 通过耦合的方式对输入电源线产生影响，因此在产 品电路的各个设计模块中都应加入滤波处理。

目前 实验室有记录的传导发射超标的整改措施都是选择 更换合适的电源滤波器。

具体情况如表1所示。

表1样品传导发射测试情况
产品名称 超标范围 初测结果 整改后复测结果 整改措施
车钟
在10〜25 M H z频段
有超标点，最大超标幅度
为 10 dB
更换
滤波器
电笛
在9〜20 M H z频段大
片超标，最大超标幅度为
10 dB
更换
滤波器
激光 在4. 5〜14 M H z超标，陀螺罗经最大超标幅度为1〇dB
更换 滤波器，加电容
航行灯控制器
在3〜20 M H z频段内
大范围超标，最大超标幅
度为10 dB
更换
滤波器，
整理走线
表1为传导发射超标实例，其中包括检测产品 的名称、超标情况、初测结果、复测结果、整改措施。

在实际工程中，即便工程师知道需在电路的输入端 或电源线上安装电源滤波器，但在很多情况下按照 设计制作的滤波器在实际测试中的效果却并不理 想。

这是因为工程师可能没有注意以下几点：
(1)滤波电容的不理想性。

在选择滤波电容时需根据实际情况结合电容器的串联谐振点选择合适 的滤波电容。

(2)滤波电感的不理想性。

在选择滤波电感时 需根据实际情况结合电感器的并联谐振点选择合适 的滤波电感。

在滤波器的选用和安装过程中需考虑以下几个
方面：
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(1) 电源线滤波器可选用具有共模与差模滤波
元件的组合式集成电源线滤波模块，其集成封装的 结构可以避免由于滤波模块内部电磁泄漏带来的干
扰问题。

(2) 在所要求的频率范围内，滤波器的阻抗必 须与其连接的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配：如果 负载是高阻抗，则滤波器的输出阻抗需为低阻抗;如 果负载是低阻抗，则滤波器的输出阻抗则需为高
阻抗。

(3) 滤波器必须具有一定的耐压能力，能够经 受输入瞬时高压的冲击。

(4)
根据电子设备的电流消耗，选择的电源线 滤波器应具有较大的额定电流。

(5) 电源线滤波器需有较好的高频特性以免引 起电源线的辐射发射和设备抗高频干扰能力的 下降。

(6)
在滤波器的安装过程中：滤波器的接地点
应与设备机壳的接地点相连，并尽量缩短接地线;若 滤波器喷过漆，则必须刮去漆皮;滤波器需安装在设 备电源线输入端，连线需尽量短;滤波器输入线和输 出线应尽可能分离[2]。

3. 1. 2接地处理
接地处理的目的是通过合适的接地方式，为电 路系统中的骚扰信号提供合适的闭环回路，使骚扰 信号尽可能少地流过等效电阻。

该处理方式需首先 定位骚扰源，然后通过地线短接的方式，为地线上的 骚扰源提供完整的闭环回路，从而减少流过真正地 线的电流。

在测试配置时，需注意将接地线与电源 线一起走线，不能按“就近接地方式”，以免造成较大 的环路而接收到骚扰信号[3]。

3. 1. 3结构调整
调整系统中相关部件的位置或形状的主要目的 是通过调整系统中容易产生信号耦合的部件的位置 或形状，减少该部件通过耦合方式向电源线或地线
进行耦合骚扰，从而规避由信号耦合造成的传导发 射超标。

综上所述，传导测试的实质是控制流过等效电
阻中的电流，因此无论是采取滤波方式还是接地处 理亦或是调整设备的结构，只要能控制流过等效电 阻的电流都将是行之有效的处理措施。

3.2辐射发射的抑制方法
发生辐射骚扰问题需同时满足3个条件：骚扰
源、敏感源和传播路径。

从抑制辐射骚扰的角度，可 以从骚扰源和传播路径两方面采取措施对辐射骚扰 进行抑制。

对于骚扰源的控制，需从电路结构和电
路板的设计方面入手;对于传播路径的处理，主要采
取屏蔽和滤波处理。

辐射发射抑制的具体措施包括对机箱进行屏蔽 处理、对线缆进行屏蔽滤波处理、设计良好的线路 板、设计良好的电路，如图3所示。

图3
辐射发射抑制措施
实验室对辐射超标设备的记录情况如表2所 示，包括产品名称、辐射发射超标范围、整改措施。

由表2可知，超标频率的范围较广，但整改措施总体 分为两类:一类是对机箱进行屏蔽处理;另一类是对 线缆进行屏蔽处理。

这是因为产品进行电磁兼容试 验时已经完成产品的功能和性能检测，处于产品研 制的后期，很难从电路部分对产品的电磁兼容性进 行整改，只能采用屏蔽的方式对产品进行处理。

表2
样品辐射发射测试情况产品名称
测试情况
整改措施
船用气体灭火专用控制箱
在48 M H z 、62 M H z 、150 M H z 等频点处超标，
最高超标48 M H z ，最大超标幅度为8 dB 对机箱缝隙进行屏蔽处理船用光纤陀螺罗经在156〜165 M H z 频段内有大片超标对设备内部进行屏蔽处理发动机集成监测与控制系统在160 M H z 超标4 dB
显示屏贴屏蔽膜
船用固定式燃料电池发电系统
在470 kHz 〜400 M H z 频段内有多处超标
对机箱缝隙进行屏蔽处理
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续表2
样品辐射发射测试情况产品名称测试情况
整改措施
火灾报警系统在4〜200 M H z 频段超标，最大超标幅度 为7 dB
屏内衬铜网，对缝隙进行屏蔽处 理；电缆套防波套管船用电源变换装置在35〜130 M H z 频段内有大片超标，最大超标 频点为95 M H z ，最大超标幅度16 dB 将陪试设备放到暗室外，对线缆 进行屏蔽处理
烟道废气净化装置 (S C R 控制系统）在35〜118 M H z 频段内超标，最大超标频点为 83 M H z ，最大超标幅度为10 dB 在显示屏外再加一道屏蔽窗
电控单体泵柴油机控制器
在35•6〜80•9M H z ，156〜165M H z 等频段内 超标，最大超标频点为48.2 M H z ，最大超标幅度 为 14 dB
对机箱缝隙进行屏蔽处理
柴油机机旁控制箱在30〜166 M H z 频段内有超标点，最大超标频 点为50 M H z ，超标幅度为5 dB 对机箱缝隙进行屏蔽处理激光陀螺罗经
在3〜4 M H z ，30〜450 M H z 等频段内有超标 现象
显控装置使用导电橡肢圈
3. 2. 1
机箱屏蔽处理
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量，频率越高就越容易产生电磁辐射。

如果设备采用 金属机箱，或在塑料机箱内喷涂一层金属作为屏蔽 层，则电磁能量可能会被限制在设备内部，限制的程 度取决于机箱的屏蔽效能。

如果机箱上有较大的孔 或较长的缝隙，则屏蔽效能会大幅下降，产生电磁能 量泄漏。

根据电磁理论，这些孔缝相当于1个二次发 射天线，当这些孔缝的长度等于半波长的整数倍时， 泄漏能量最大。

对于固定的孔缝，频率越高，泄漏越
严重。

一
般要求孔缝长度应为：Z <A /50，Z 为孔缝尺
寸，A 为设备内可能辐射的最高频率的波长[4]。

电磁辐射的泄漏点可通过近场磁场探头沿机壳 孔缝移动进行定位，如果在某个孔缝处发现较大的 泄漏场强，可通过临时在该处添加导电衬底、采用波 导设计、缩短连接螺丝的间距等措施进行改进。

以激光陀螺仪设备为例说明机箱屏蔽处理在抑 制电磁辐射发射方面的作用。

该产品要求按照GD 0K 3.3)及相关测量方法进行试验。

试验范围： 150 kHz 〜2 GHz ，以准峰值检波方式进行测量。

试 验限值按一般配电区限值EMC 2限值进行试验。

初次测试时在3〜4 MHz ，30〜450 M H z 等频段内 有超标现象。

测试结果如图4所示。

对机箱壳体进行屏蔽处理，对壳体添加导电橡 胶圈，重新测试，测试结果符合标准限值要求，具体 如图5所示。

3. 2. 2
线缆处理
电缆产生辐射的机理主要有两种：一种是电缆 中的信号回路产生的差模辐射；另一种是电缆上的
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图4激光陀螺仪设备辐射发射不合格
图5激光陀螺仪设备辐射发射合格
共模电流产生的共模辐射。

由于信号线与回线之间 的距离很小，由此形成的差模电流面积也很小，因此 差模辐射往往不是主要的辐射因素。

共模辐射是由 共模电流产生的，共模电流的环路是由电缆与参考 地及杂散电容构成的，因此具有较大的环路面积，
会
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电缆较大的共模电流) 回路面积y
:魂缆::二\较小的共模电流 h 回路面积
.4
图6
共模电流回路面积示例
以某研制单位研发的火灾报警系统为例，说明 线缆屏蔽处理在抑制电磁辐射发射方面的作用。

该
产品按照GD 01(3. 3)及相关测量方法进行试验。

试验范围：150 kHz 〜2 GHz ，以准峰值进行测量。

试验限值按一般配电区限值EMC 2进行试验。

初 次测试时在4〜200 M H z 频段超标，最大超标幅度 为7 dB 。

测试结果如图7所示。

对线缆进行屏蔽处理，对电缆套防波套管，重新 测试，测试结果符合标准限值要求，具体如图8 所示。

3.2.3良好的线路板设计
线路板设计的核心是减小信号电流的回路面 积，降低地线上的共模电压，对强辐射源电路进行局 部屏蔽，常用方法如下：
(1)使用多层线路板为数字电路设置地线面与 电源线面，为高频脉冲信号提供最小的回路面积，降
产生较强的辐射。

根据电缆共模辐射机理，常采用以下方式控制 电缆共模辐射：
(1)
尽量控制电缆长度并使电缆长度小于波长
的一半以下。

(2) 在电缆上串联共模扼流圈增加共模电流回 路的阻抗从而减小共模电流。

(3) 减小共模电压。

可以从以下几个方面控制 电缆上的共模电压：①采取各种措施降低地线的阻 抗，降低地线上的噪声电压，从而降低外拖电缆上的 共模电压;②强干扰电路远离I /O 端口；③屏蔽内部 电缆。

当内部电缆较长时，其更容易感应上较高的 共模电压，这时可以将内部电缆屏蔽起来，屏蔽层与 金属机箱用低阻抗连接起来。

(4) 电缆屏蔽。

其目的是为共模电流提供1条 低阻抗的路径，使共模电流环路面积较小。

该方法 的核心有两点：其一，用屏蔽电缆控制电缆共模辐射 的本质是减小共模电流的回路面积，具体如图6所 示;其二是屏蔽层必须有很低的阻抗[5]。

屏蔽层
图7
火灾报警系统辐射发射不合格
低电源线上的噪声，从而降低电缆上的共模电流。

(2) 地线面上避免有长缝隙，以防其截断信号 回路路径，使回路面积增加。

(3) 采用网格地的地线，降低电缆上的共模 电流。

(4)
芯片旁的储能电容与所供电的芯片之间的
供电回路面积需尽可能小。

(5) 滤波电容的引线尽量短。

(6) 保持时钟的回路面积最小。

(7) I /O 端口的滤波电路尽可能靠近机箱上的 I /O 插座。

(8) I /O 端口设置干净地，减少与其他信号回路 共有的地线部分，并将其通过最低的阻抗连接至设 备的导电外壳。

3.2.4良好的电路设计
电路设计的核心内容是降低电路的工作频率， 降低电路的回路面积，限制进入电缆的共模电流，具 体方法如下：
(1)不使用超过需要的时钟频率。

共
模电
压
王军，等：船用电气电子设备电磁兼容共性问题及解决方案• 13 •
(2) 限制时钟信号的上升沿/下降沿。

一
般在 时钟电路的输入端安装铁氧体磁珠就可使脉冲光信
号的上升沿/下降沿变缓。

(3)
尽量使用大规模集成电路。

大规模集成电 路的尺寸远小于线路板，这意味着其信号电流的回
路面积远小于线路板上信号电流回路面积。

(4) 在满足功能的前提下，尽可能使用较低速 的数字芯片。

较低速的电路不仅产生较少的电磁辐 射，而且对外部骚扰的抵抗力也较高。

(5) 所有I /O 端口安装适当的滤波电路。

(6) 完善的电源解耦电路。

特别是在高速数字
电路的场合，以及数字电路与模拟电路共用电源的
场合。

4结论
本文通过对中国船级社制定的GD 01 — 2006
《电气电子产品型式认可试验指南》中E M C 试验项 目的试验原理进行分析，结合检测中心长期累积的 检测数据，对易出现电磁不兼容的试验项目提出设[33] S T A U F E R H . Laser hybrid welding and laser bra ­
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这些措施方法表明
设备最终通过E M C 电磁兼容认证并非完全依靠产 品成型后的整改，而是电气电子产品的电磁兼容性 设计应渗透至产品设计开发过程，包括电路级的电
磁兼容设计、电路板级的电磁兼容设计、产品结构屏
蔽设计、电源信号滤波设计等。

只有这样研制出的 电气电子产品才能保证其可靠性、安全性，才能更好 地服务于船用系统。

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