BSS-3衛星同步時鐘裝置電磁兼容優化設計

張子皿，袁平路

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

準確的時間基準是電力系統安全穩定運行的重要保證，北京中水科水電科技開發有限公司監控系統事業部自主研發的BSS-3系列衛星同步時鐘在水電站已有多年的現場應用經驗，在水利行業有良好的口碑，系列定型的模塊包括：脈沖空接點對時模塊，IRIG-B 碼對時模塊，串口對時模塊，PTP對時模塊，恒溫守時模塊，NTP時間服務器模塊。為了提高BSS-3系列衛星同步時鐘的電磁兼容性能，對時鐘電路板卡的設計進行了改造升級，優化設計后電路板卡的電磁兼容性得到明顯提高，時鐘系統工作更加穩定。

1 BSS-3系列衛星同步時鐘裝置介紹

BSS-3系列衛星同步時鐘是采用衛星定位系統進行標準時間發送的裝置。目前通常采用北斗系統和GPS系統。北斗授時時鐘基于我國的“北斗二號”系統，可實現高精度的授時功能，時間精度優于50 ns。GPS時鐘基于全球衛星導航系統，當GPS衛星信號接收器在收到并鎖定至少4顆衛星之后，衛星接收器解算設備所處的地理位置和標準時間，其授時精度可以達到20 ns以內。目前，大型水電廠通常要求北斗、GPS雙衛星接收系統，而且北斗信號優先，為全廠各系統提供高精度的時間基準。

時鐘裝置由標準機箱、電源模塊、接收天線、衛星信號接收模塊、對時信號輸出模塊等構成，如圖1所示。

圖1 時鐘裝置結構圖

目前水電廠對時系統主流的衛星時鐘對時方案設計都是采用一套主時鐘系統或兩套熱備的主時鐘，例如北斗+GPS雙信號接收作為主時鐘，根據設備的分布位置和數量，配置多臺二級時鐘裝置組成水電廠全廠統一授時系統，完成全廠各系統的對時任務。衛星同步時鐘具有高精度守時模塊，當衛星信號不好或收不到衛星信號時，仍可保證高質量的對時信號輸出。

2 衛星時鐘電磁兼容優化設計

在電子裝置中，電子干擾現象是普遍存在的，例如通過共電源地產生的共地阻抗干擾，通過電感或電容產生的耦合干擾，還有高頻電子元件產生的輻射干擾等。為了解決裝置的電磁干擾問題，對衛星時鐘母板、脈沖板、B碼485板、PTP板進行電路改造升級，將各板卡電磁兼容性（EMC）從2級提高到4級標準[1]，具體電路設計如下。

2.1 電路設計

電源模塊的輸出電壓為DC 5 V，但是在系統中，單片機CPU的工作電壓為3.3 V，衛星接收模塊和網絡模塊的工作電壓為3.0～5.0 V，這幾個模塊的電壓各不相同，為了減少公共電源及公共阻抗的耦合，提高電源的可靠性和抗干擾性，保證各部分正常工作[2，3]，電路設計如圖2所示。

圖2 減少電容耦合示意圖

在充分考慮電磁兼容和性能的情況下，將主CPU升級，主頻從1 MHz提高到72 MHz，時鐘同步裝置的進出線也增加了防浪涌護設計。電源端增加TVS管（電源口首次測試未表現出故障，不過為了增強電源端口的抗干擾性能，也增加了必要的防護）和防倒插二極管（防止正負極接反造成的無法正常工作）。改進后的電路如圖3所示。

圖3 增加防護后的電源入口電路

信號端增加TVS管，在信號總線通道中增加自恢復保險絲和限流二極管以提高系統可靠性。改進后的電路如圖4所示。

圖4 增加防護后的信號入口電路

2.2 電磁兼容設計

本裝置采用4層電路板，通過設置專用電源層和接地層為系統提供了最短的回流路線以此來抑制共模干擾，并增加了對地放電電容，信號端進行了光電隔離處理。考慮到模塊在進行數據通信時，消耗功率較大，為了降低其對周圍器件的電磁干擾，將之放在電路板邊緣處，而且在其周圍盡量少放敏感元件。盡量降低接地的阻抗，通過適度加寬地線的寬度可以進一步減小接地阻抗，并把數字部分電路的去耦電容、電感和模擬部分電路的去耦電容、電感分開一定距離布置[4]。

3 試驗測試情況

衛星時鐘同步裝置的EMC試驗檢測是委托中國電力科學研究院進行的，具有國家認可的檢測資質。

衛星時鐘同步裝置通過了電磁兼容性能檢測、振蕩波抗擾度檢測（3～4級）、電快速瞬變脈沖群抗擾度檢測（4級）、工頻磁場抗擾度檢測（5級）、脈沖磁場抗擾度檢測（5級）、阻尼振蕩磁場抗擾度檢測（5級）、射頻電磁場輻射抗擾度檢測（3級），其中檢測電壓等級±0.5～6 kV，輻射干擾30 MHz～1 GHz，傳導干擾140 kHz～40 MHz，試驗結果滿足電磁兼容EMC判據3～5級要求，等級可達ClassA。

4 結論

本項目分析了BSS-3系列衛星同步時鐘系統結合造成電磁干擾的因素，對BSS-3系列衛星同步時鐘提出了整體的優化設計方案，給出了關鍵環節的電路設計和電路板抗干擾設計，時鐘裝置優化設計后，板卡電路工作更加穩定，生產成本得到了降低，更加符合規模化生產的要求。