小衛(wèi)星平臺(tái)某電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)小衛(wèi)星平臺(tái)某電子設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境，給出了電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)原則和具體方法，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)及PCB板設(shè)計(jì)等，EMC試驗(yàn)表明該設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)合理，這對(duì)星載電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)有較高的參考價(jià)值。

隨著電子技術(shù)應(yīng)用的日益發(fā)展，電子設(shè)備越來越復(fù)雜，電磁環(huán)境日趨惡劣，它影響了電子設(shè)備和系統(tǒng)的正常工作和性能。一個(gè)性能好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備的正常工作，又要具備較低的敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。

航天器電子設(shè)備對(duì)體積，質(zhì)量和功耗的限制是十分苛刻的，而對(duì)產(chǎn)品高性能的追求也是不斷提高。某電子設(shè)備是適應(yīng)小衛(wèi)星平臺(tái)小型化、集成化的需求，將多種功能線路組合在一起，設(shè)備內(nèi)部干擾源和敏感器件多，信號(hào)傳輸線多，空間小，相互間很容易造成干擾。如果干擾效應(yīng)嚴(yán)重，將導(dǎo)致系統(tǒng)失靈，甚至可能產(chǎn)生嚴(yán)重的故障，所以電磁兼容性是該設(shè)備的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1 電磁兼容性與電磁干擾

電磁兼容性(EMC)是指電子設(shè)備在預(yù)期的電磁環(huán)境中能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。其目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾又能減少其本身對(duì)其他電子設(shè)備的電磁干擾。電磁干擾(EMI)可理解為一種有損于有用信號(hào)的電磁現(xiàn)象，干擾的來源主要有本電子設(shè)備內(nèi)部形成的干擾以及外界耦合到本電子設(shè)備形成的干擾。

電磁兼容主要解決的是電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)間的電磁干擾問題，構(gòu)成電磁干擾必須具備3個(gè)因素，即干擾源、受干擾對(duì)象(敏感設(shè)備)及兩者間耦合路徑。電磁干擾的基本模型就是這3個(gè)因素的串聯(lián)，如圖1所示。

系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)部要發(fā)生電磁兼容性問題，必須同時(shí)存在以上3個(gè)因素，在解決電磁兼容問題時(shí)，要從這3個(gè)因素入手，消除其中某一個(gè)因素，就能解決問題。對(duì)新研制的電子設(shè)備，應(yīng)該從設(shè)計(jì)開始階段就考慮電磁兼容，進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段就考慮電磁兼容，遠(yuǎn)比制作成型后再試圖滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求而采取措施更節(jié)省人力和物力。所以電子設(shè)備必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就要考慮電磁兼容問題。

2 某星載電子設(shè)備簡(jiǎn)介

小衛(wèi)星平臺(tái)某電子設(shè)備是衛(wèi)星的主要控制器之一，如圖2所示。

以處理器控制單元為中心，外圍包括DC/DC模塊、串行通訊模塊、推力器驅(qū)動(dòng)模塊、磁力矩器驅(qū)動(dòng)模塊、供配電模塊等單元。設(shè)備內(nèi)既有DC/DC、部件供配電、推力器驅(qū)動(dòng)等強(qiáng)干擾源信號(hào)，又有A/D和D/A輸入輸出小信號(hào)，同時(shí)還存在高速脈沖輸入信號(hào)，以及控制單元內(nèi)部的高速時(shí)鐘信號(hào)。因而設(shè)備內(nèi)部的電磁環(huán)境很復(fù)雜，電磁兼容性成為該設(shè)備的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，結(jié)果的好壞直接影響產(chǎn)品的性能。

3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)與地線設(shè)計(jì)

本星載電子設(shè)備采用無線纜機(jī)箱結(jié)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)電纜結(jié)構(gòu)機(jī)箱，無線纜機(jī)箱能大大減少電磁干擾，這是因?yàn)?0%的EMC問題是因電纜造成，電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線，同時(shí)也是干擾傳導(dǎo)的良好通道。如圖3所示，設(shè)備采用雙總線板結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)總線板實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部各功能板之間的信號(hào)傳遞，通過內(nèi)總線板與外總線板之間的“大芯數(shù)轉(zhuǎn)接內(nèi)電連接器”以及外總線板上的“焊針型直插印制板電連接器”實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信號(hào)與設(shè)備外部信號(hào)之間的傳遞。

機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將強(qiáng)弱信號(hào)所在的線路板分開進(jìn)行合理布局，易產(chǎn)生電磁干擾的線路板設(shè)置在機(jī)箱的上下側(cè)邊，使產(chǎn)生的干擾信號(hào)能通過機(jī)箱外殼釋放，數(shù)字等敏感信號(hào)處理線路板放置在機(jī)箱中部，二次電源模塊是主要的干擾源，由主備份兩塊線路板組成，正常工作時(shí)使用主份，所以將份板放在機(jī)箱最外側(cè)，備份二次電源板平常不工作，成為一道屏障阻止主份二次電源板產(chǎn)生的干擾信號(hào)向機(jī)箱內(nèi)輻射。

設(shè)備內(nèi)部的地線包括一次地、數(shù)字地和模擬地，其中數(shù)字地和模擬地屬于二次地。設(shè)計(jì)時(shí)將數(shù)字地和模擬地分開布線，在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行單點(diǎn)連接，一次地與數(shù)字地和模擬地進(jìn)行嚴(yán)格隔離，避免單機(jī)接地故障為一次電源帶來致命的危害從而影響整星的正常工作。內(nèi)外總線板是設(shè)備強(qiáng)弱信號(hào)輸入輸出通道，為遏制和減小這些信號(hào)之間的干擾，將內(nèi)外總線板上的強(qiáng)弱信號(hào)按區(qū)域劃分，同時(shí)分割相應(yīng)的地層，由于地線層處處等電位，不會(huì)產(chǎn)生共模電阻耦合，也不會(huì)經(jīng)地線形成環(huán)流產(chǎn)生天線效應(yīng)，使電磁干擾能以最短的路徑進(jìn)入地線而消失。

3.2 濾波與屏蔽

濾波的功能是讓指定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而將其他頻率信號(hào)加以抑制。它是減弱傳導(dǎo)干擾和輻射于擾最常用手段之一，特別是對(duì)瞬態(tài)干擾的抑制更有效。本星載電子設(shè)備的濾波設(shè)計(jì)主要是對(duì)DC/DC電源模塊濾波和對(duì)線路去耦電容濾波。

在DC/DC模塊的輸入濾波電路主要由一級(jí)∏濾波和兩級(jí)LC濾波電路組成，采用差模和共模組合式濾波措施，能有效阻止來自電源母線的噪聲干擾，同時(shí)阻止DC/DC電源本身產(chǎn)生的開關(guān)噪聲反饋到一次母線內(nèi)阻上，形成公害。

在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，通過在電路上加去耦電容來滿足數(shù)字電路工作時(shí)要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，減小了電壓振蕩現(xiàn)象，集成芯片可以就近在各自的去耦電容上吸收或釋放電流，而不必通過電源線從較遠(yuǎn)的電源中取得電流。因此不會(huì)影響集成芯片的速度，同時(shí)去耦電容為集成芯片的瞬態(tài)變化電流提供了各自就近的高強(qiáng)通道，從而大大減小了向外的輻射噪聲，且相互之間沒有公共阻抗，因此抑制了共阻抗耦合。

設(shè)計(jì)時(shí)在每個(gè)集成芯片的電源和地腳之間加一個(gè)0.01～0.1 μF去耦電容，有效去除信號(hào)線中的高頻噪聲。在每塊線路板電源輸入端接一組5 μF電容和一組0.01μF電容，濾除電源線上的高頻干擾和低頻噪聲。

屏蔽是利用屏蔽體對(duì)干擾電磁波的吸收、發(fā)射來達(dá)到阻止或減弱電磁能量傳輸?shù)囊环N措施，能有效阻止電磁波從一個(gè)空間向另一空間傳揚(yáng)，主要用于抑制輻射干擾。屏蔽用低阻抗材料做殼體，把需要隔離的部件包圍起來，被隔離的即可以是干擾源，也可以是防干擾的敏感設(shè)備，將屏蔽體和地相連，可以大大減少干擾耦合。

二次電源模塊作為設(shè)備內(nèi)部主要干擾源，設(shè)計(jì)時(shí)將其安裝在密封屏蔽的金屬腔體內(nèi)，殼體與機(jī)箱緊密搭接與地導(dǎo)通，從而隔離了二次電源內(nèi)部干擾信號(hào)對(duì)外部的輻射干擾，同時(shí)也能很好地提高二次電源的抗干擾能力。為增加機(jī)箱的屏蔽效果，箱體各面板間設(shè)計(jì)成卡槽結(jié)構(gòu)，增加各面板接縫處的重疊尺寸，接縫處兩連接面的重疊量與屏蔽效能有關(guān)系，增加重疊量相當(dāng)于增加了縫隙的深度。另外，對(duì)機(jī)箱殼體的接縫處盡可能增加固定螺釘數(shù)量，減少螺釘間距，使得縫隙長(zhǎng)度響應(yīng)減小，使屏蔽效能提高。機(jī)箱的表面采用導(dǎo)電陽極化處理，機(jī)箱內(nèi)的各印制板組件也都經(jīng)過導(dǎo)電陽極化處理，使所有連接面保持導(dǎo)電，最終通過箱體上的接地址與系統(tǒng)殼地相連。

3.3 PCB布局布線設(shè)計(jì)

印制電路板中的電磁干擾問題包括公共阻抗耦合和串?dāng)_，高頻載流導(dǎo)線產(chǎn)生的輻射，印制線條對(duì)高頻輻射的感應(yīng)等。其中以高頻輻射問題最為嚴(yán)重，這是因?yàn)殡娫淳€、接地線及信號(hào)線的阻抗會(huì)隨著頻率的增高而增大，故較易通過公共阻抗耦合產(chǎn)生干擾，同時(shí)頻率增高使得線路間寄生電容的容抗減小，因而串?dāng)_更易發(fā)生。

在沒備內(nèi)部，布局或布線不當(dāng)是造成千擾的首要原因，大多數(shù)的干擾是發(fā)生在模擬數(shù)字混排的布局網(wǎng)或布線不當(dāng)?shù)挠≈凭€之間，所以正確的布局和布線是設(shè)備可靠運(yùn)行的基本保證之一。

本星載電子沒備內(nèi)包含低電平模擬電路和數(shù)字邏輯電路，PCB設(shè)計(jì)時(shí)將二者分開布局，使得數(shù)字電路高頻電流在印制板上的走線路徑變短，有助于降低線路板內(nèi)部的串?dāng)_、公共阻抗藕合和輻射發(fā)射。元器件的布局首先要考慮的一個(gè)因素就是電性能，把連線關(guān)系密切的元器件盡量放在一起，高速線走線盡可能短。功率信號(hào)和小信號(hào)器件分開，這樣可減少組件之間的電磁干擾。

在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，不能忽略的是存在于器件、導(dǎo)線、印制線和插頭上的寄生電感、電容和導(dǎo)納，為此在布線時(shí)采取以下幾條措施：

1)所有平行信號(hào)線之間要盡量留有較大的間隔，以減少串?dāng)_。如果有兩條相距較近的信號(hào)線，最好在兩線之間走一條接地線，可以起到屏蔽作用。設(shè)計(jì)信號(hào)傳輸線時(shí)要避免急拐彎，以防傳輸線特性阻抗的突變而產(chǎn)生反射和振鈴，要盡量設(shè)計(jì)成具有一定尺寸的均勻的圓弧線。

2)印制板上若裝有大電流器件，如繼電器，它們的地線單獨(dú)走線，以減少地線上的噪聲。時(shí)鐘信號(hào)和高速信號(hào)盡量避免換走線層，少用過孔，以減小過孔的寄生電容和寄生電感帶來危害。

3)電源平面靠近接地平面，并且安排在接地平面之下。這樣可以利用兩金屬平板間的電容作電源的平滑電容，同時(shí)接地平面還對(duì)電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。

4)特別注意電流流過電路中的導(dǎo)線環(huán)路尺寸，因?yàn)檫@些回路就相當(dāng)于正在工作中的小天線，隨時(shí)隨地向空間進(jìn)行輻射。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

電磁兼容性測(cè)試包括電磁干擾發(fā)射(EMI)和電磁敏感度(EMS)測(cè)量。本星載電子設(shè)備根據(jù)國軍標(biāo)GJB151A一97《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》試驗(yàn)要求，進(jìn)行了以下EMC試驗(yàn)項(xiàng)目：RE102：10 kHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射;RS103：10 kHz～40 GHz電場(chǎng)輻射敏感度;CE102：10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射;CS101：25 Hz～50 kHz電源線的傳導(dǎo)敏感度;CS114：10 kHz～200 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度;CS115：電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度;CS116：10 kHz～100 MHz電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導(dǎo)敏感度。其中，RE102、CE102屬于EMI(電磁干擾)的測(cè)量，RS103、CS101、CS114、CS115、CS116屬于EMS(電磁敏感度)的測(cè)量。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行以上7項(xiàng)EMC試驗(yàn)項(xiàng)目檢測(cè)，結(jié)果7項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目都合格，產(chǎn)品的傳導(dǎo)敏感度和輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)都符合CJB151A-9了要求(RE102試驗(yàn)曲線如圖4所示)，證明本電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)有效，性能滿足要求。

5 結(jié)論

電磁兼容性問題在航天器電子產(chǎn)品的性能中起著至關(guān)重要的作用，本文針對(duì)小衛(wèi)星平臺(tái)某電子設(shè)備的電磁環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上采取了多種技術(shù)的有效措施，使設(shè)計(jì)效果達(dá)到最優(yōu)化，通過了相關(guān)的電磁兼容試驗(yàn)檢測(cè)，收到了事半功倍的效果。這對(duì)同類電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有很好的參考價(jià)值。