機(jī)載計(jì)算機(jī)電源接地研究與設(shè)計(jì)

馬 鐘

（揚(yáng)州市江都區(qū)職工學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

機(jī)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(guān)系，科學(xué)有效的接地能夠?qū)υO(shè)備的安全以及人身安全提供重要的保證，同時(shí)也能夠?qū)ぷ鬟^(guò)程中產(chǎn)生的電磁干擾具有顯著的抑制作用[1]。實(shí)踐表明，正確有效地接地能夠解決設(shè)備工作過(guò)程中大部分的干擾問(wèn)題。機(jī)載計(jì)算機(jī)電源采用的高頻開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)關(guān)的瞬間會(huì)產(chǎn)生尖沖電壓以及尖沖電流，給設(shè)備的安全以及穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了不利的影響。因此設(shè)計(jì)進(jìn)行地線設(shè)計(jì)，采用有效的接地方式，降低設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的干擾的研究具有重要的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值以及理論價(jià)值[2]。

1 接地方式概述

1.1 單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地適用于低頻電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在系統(tǒng)工作頻率在1 MHz以下的時(shí)候，單點(diǎn)接地的方式可以有效降低共模抑制干擾的問(wèn)題。在接地結(jié)構(gòu)方式上單點(diǎn)接地可以分為串聯(lián)單點(diǎn)接地以及并聯(lián)接地的方式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單點(diǎn)接地的兩組方式

串聯(lián)單點(diǎn)接地的面臨的最大問(wèn)題就是接地的效果會(huì)收到接地導(dǎo)體自身阻抗的影響，因此在低頻應(yīng)用領(lǐng)域一般都會(huì)采用分離接地（并聯(lián)接地）的方式進(jìn)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(dǎo)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(diǎn)接地

多點(diǎn)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(diǎn)接地的方式可以降低阻抗。多點(diǎn)接地方式中所有的電路都會(huì)被連接到機(jī)架或者機(jī)箱等常見(jiàn)的低電阻平面，合理的控制地平面的低電感可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地阻抗的控制。設(shè)備接地設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡可能減少電路與地平面之間的連接長(zhǎng)度，降低接地線的阻抗。多點(diǎn)接地存在的不足，主要表現(xiàn)形式就是接地會(huì)形成環(huán)路干擾，在接地距離不當(dāng)?shù)臅r(shí)候會(huì)產(chǎn)生共振干擾等方面的問(wèn)題，所以需要對(duì)噪聲的頻率范圍進(jìn)行認(rèn)真考慮，避免多點(diǎn)干擾接地問(wèn)題的產(chǎn)生[3]。

1.3 混合接地

在不同頻率的應(yīng)用場(chǎng)合，接地要求也是不同的，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中都用電容、電感等器件的頻率特性實(shí)現(xiàn)對(duì)電路系統(tǒng)的配置。在頻率較低的工作場(chǎng)合，電容呈現(xiàn)高阻抗，電感呈現(xiàn)低阻抗，在高頻段時(shí)，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(shí)現(xiàn)電路接地時(shí)的多點(diǎn)或者單點(diǎn)接地。點(diǎn)電子產(chǎn)品的印制板設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般都要求地線的寬度較大，并合理進(jìn)行接地端的面積擴(kuò)展。同時(shí)對(duì)于數(shù)字地與模擬混合系統(tǒng)要能夠進(jìn)行數(shù)字地域模擬地的區(qū)分，并分開(kāi)進(jìn)行設(shè)置，模擬地與數(shù)字地在系統(tǒng)中只能夠采用一個(gè)共地點(diǎn)，不能夠采用多點(diǎn)的方式，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面采用散射狀實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字地的連接。

2 機(jī)載計(jì)算機(jī)電源布局設(shè)計(jì)與接地方案

機(jī)載計(jì)算機(jī)與一般的計(jì)算機(jī)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(chǎng)以及其他因素的干擾。通過(guò)合理進(jìn)行機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的設(shè)計(jì)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(jī)載計(jì)算機(jī)的電源都是采用的開(kāi)關(guān)電源，并工作在高頻狀態(tài)，功率管在開(kāi)關(guān)的瞬間會(huì)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(chǎng)與電場(chǎng)干擾，最終在地線上積累形成噪聲電壓。如果地線設(shè)計(jì)不合理，噪聲電壓會(huì)引起自激振蕩等不利影響，對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的正常穩(wěn)定工作產(chǎn)生不利的影響。

從實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)分析，在高頻工作領(lǐng)域一般都是采用多點(diǎn)接地的方式，對(duì)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(shè)置合理的接地點(diǎn)，同時(shí)對(duì)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(jìn)行差模與共模干擾抑制，用來(lái)降低工作過(guò)程中的開(kāi)關(guān)噪聲。開(kāi)關(guān)電源電路布局圖如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)電源電路布局

高頻開(kāi)關(guān)電源中，電源變換器中的功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)高度切換會(huì)帶來(lái)高頻的大電流在功率管等器件上流過(guò)，當(dāng)印制板導(dǎo)線的長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生顯著的電壓降[4]，因此功率地域信號(hào)控制電路的布線不分開(kāi)，壓降就會(huì)對(duì)控制電流的工作行程干擾，導(dǎo)致電源的不穩(wěn)定工作。

高頻開(kāi)關(guān)電源采用了PWM電路。PWM輸出的穩(wěn)定度對(duì)電源的穩(wěn)定工作有直接的影響，使用過(guò)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(yīng)控制電路的接地也應(yīng)該選擇在這一點(diǎn)上，控制電路中輸出電壓的采樣值放大電路的接地點(diǎn)也選擇在這一點(diǎn)，接地信號(hào)同時(shí)要能夠采用電容濾波進(jìn)行單點(diǎn)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(diǎn)作為電流返回點(diǎn)，并通過(guò)單點(diǎn)的方式實(shí)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(kāi)關(guān)噪聲，降低對(duì)電源控制回路的影響。實(shí)踐證明，通過(guò)以上改進(jìn)以后，高頻開(kāi)關(guān)電源電路的穩(wěn)定性得到了有效改善，在機(jī)載計(jì)算機(jī)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(shí)，考慮到電源變換電路本身的抗干擾能力，在變壓器的初級(jí)地跨接大濾波電容CX，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某型機(jī)載計(jì)算機(jī)電源產(chǎn)品的接地分析和設(shè)計(jì)后，產(chǎn)品的工作特性得到了極大改善，在隨整機(jī)進(jìn)行基于GJB 151A和GJB 152A的電磁兼容試驗(yàn)中，通過(guò)了CE102、RE101、RE102等項(xiàng)目的全部試驗(yàn)，且工作穩(wěn)定可靠。通過(guò)合理的布線和接地設(shè)計(jì)，有效地解決了噪聲問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載計(jì)算機(jī)電源的穩(wěn)定可靠工作。