韓冰

摘 要 本文討論了民用飛機(jī)機(jī)載電子設(shè)備基本電磁兼容設(shè)計(jì)策略 。

關(guān)鍵詞 電磁兼容 機(jī)載電子設(shè)備 電磁干擾

中圖分類號(hào)：TN973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

航空工業(yè)、FAA/EASA很早就已開始關(guān)注與民機(jī)電磁環(huán)境相關(guān)的功能性安全問題。大型客機(jī)執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)、涉及飛行安全的系統(tǒng)，都使用電子設(shè)備。例如：自動(dòng)駕駛儀、電傳飛控、發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)數(shù)字控制系統(tǒng)、近地/自動(dòng)著陸系統(tǒng)等?，F(xiàn)代化客機(jī)極其依賴電子設(shè)備，甚至不用駕駛員來手動(dòng)控制操作。其電磁兼容問題直接影響飛行安全性。本文闡述機(jī)載電子設(shè)備基本電磁兼容設(shè)計(jì)策略。

1電磁干擾

電磁干擾的三要素是干擾源、干擾傳輸途徑、干擾接收器。最基本的干擾抑制技術(shù)是屏蔽、濾波、接地。它們主要用來切斷干擾的傳輸途徑。

2設(shè)備設(shè)計(jì)原則

（1）EMI和閃電防護(hù)技術(shù)主要包括EMI濾波、共模濾波、旁通電容、終端保護(hù)設(shè)備、專用的EMI連接器和印刷電路板地平面層。

（2）防護(hù)閃電和高能輻射場(chǎng)在一定程度上通過搭接、接地以及在設(shè)備互聯(lián)針腳上使用EMI濾波器和瞬態(tài)保護(hù)裝置。

（3）敷設(shè)電路板時(shí)減少接地環(huán)路和公共阻抗耦合，以及在敏感和噪音電路間提供隔離。

（4）內(nèi)部噪音源，如直流—直流轉(zhuǎn)換器使用共模和差模濾波器以減少輻射和降低敏感性。在電源線濾波器多數(shù)使用單個(gè)感應(yīng)器，因此避免了共式扼流圈和差式扼流圈效率降低的電流平衡問題。

（5）高阻抗輸入電路主要使用R-C型濾波器。如果有必要將使用光隔離電路。低阻抗I/O使用瞬變電壓抑制器（TVS）以防止靜電、閃電以及電源線上的電壓尖峰。所有與外部連接的針腳要進(jìn)行評(píng)估是否需要在針腳與內(nèi)部電路間加濾波器以降低頻輻射和敏感性。同樣，所有內(nèi)部電路的電源線使用退耦電容。

（6）綜合考慮印刷板組件的布置、布局和布線合理設(shè)計(jì)一級(jí)或二級(jí)EMI濾波器。濾波器回路應(yīng)通過低阻抗路徑（例如地平面）連接到機(jī)殼。

（7）印刷板組件EMI濾波器使用地平面以降低電感，另外使用設(shè)備架接地螺栓能夠進(jìn)一步降低阻抗。一系列的濾波器元件如共模電容用于提高濾波器特性并用于閃電和HIRF防護(hù)。

（8）其它用于發(fā)射抑制方法，包括為所有進(jìn)入集成電路的電源加旁通和在時(shí)鐘輸出線串聯(lián)鐵氧化磁體和/或電阻以抑制時(shí)鐘的高頻諧波。

（9）恰當(dāng)?shù)陌惭b和搭接確保金屬外殼搭接平面電阻保持在要求值。每一個(gè)屏蔽電纜匹配連接器接地要盡可能靠近LRU或托架的接地點(diǎn)。所有的飛機(jī)電源回路不能在設(shè)備內(nèi)部連接機(jī)殼地。

（10）使用金屬機(jī)架提供靜電保護(hù)，HIRF和輻射屏蔽，為EMI濾波器件提供無噪聲的地。

2.1 PBA設(shè)計(jì)原則

隔離模擬電路與數(shù)字電路，最小化線路的環(huán)路區(qū)域和使用平面地的管理技術(shù)。

2.1.1隔離

數(shù)字電路由于邏輯信號(hào)以非?？斓乃俾剩ɡ?納秒）進(jìn)行切換，能夠干擾相鄰的模擬電路，所以要進(jìn)行隔離。

2.1.2最小化環(huán)路區(qū)域

線路（信號(hào)和信號(hào)回路）的另一面是天線回路，能夠作為接收端或發(fā)送端。那么回路區(qū)域增加就會(huì)增加信號(hào)噪音的吸收和發(fā)送。因此，最小化環(huán)路區(qū)域能夠使邏輯電路發(fā)送的噪聲降低并且被模擬電路接收的噪音最少。

2.1.3地平面

如果有可能模擬和數(shù)字回路使用專門的地平面，而不是簡(jiǎn)單的信號(hào)回線。專門的地平面為信號(hào)回路提供低阻抗通道，也最小化回路。使用電源平面例如直流源也是同樣的原因。

2.1.4布線

（1）電源線與回線盡可能靠近，最好的方法各走一面；

（2）為模擬電路提供一條零伏回線，信號(hào)線與回線數(shù)目之比小于5：1；

（3）針對(duì)長(zhǎng)平行走線的串?dāng)_，增加其間距或在走線之間加一根零伏線；

（4）手工時(shí)鐘布線，遠(yuǎn)離I/O 電路，可考慮加專用信號(hào)回程線；

（5）關(guān)鍵線路如復(fù)位線等接近地回線；

（6）為使串?dāng)_減至最小，采用雙面#字型布線；

（7）高速線避免走直角；

（8）強(qiáng)弱信號(hào)線分開。

2.1.5布局

（1）晶振盡可能靠近處理器；

（2）模擬電路與數(shù)字電路占不同的區(qū)域；

（3）高頻放在 PCB 板的邊緣，并逐層排列；

（4）用地填充空著的區(qū)域。

2.2輸入輸出電路的EMC設(shè)計(jì)

2.2.1 A429發(fā)送端電路

圖1顯示的是常用的用于A429發(fā)送端電路的EMI/閃電/能量發(fā)射防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)。

瞬變電壓抑制器（TVS）的回路是內(nèi)部電路地，與28V電回路連接到飛機(jī)的電結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

控制能量發(fā)射的機(jī)理是結(jié)合使用輸出電阻RS1、RS2及共模電感。有必要時(shí)可在電阻RS1和RS2右側(cè)增加另外一種容性濾波元件。這種電路對(duì)射頻干擾相對(duì)不敏感。

對(duì)于閃電，通過組合控向二級(jí)管（SD）和電阻序列（RS）保護(hù)輸入。如果有一個(gè)反向的輸入，控向二級(jí)管 SD4 和/或SD3將被正向偏壓，這時(shí)依靠TVS2把電壓箝位在安全范圍來保護(hù)電路。RS1和RS2用來在閃電效應(yīng)是限制電流，這樣可以選用更為合理型號(hào)的TVS。SD在不作用時(shí)隔離導(dǎo)線，提供低電容瞬時(shí)保護(hù)。通過偏壓電阻BR1和BR2確保SD在除了瞬變外都是反偏壓的狀態(tài)。

2.2.2 A429接收端電路

這種數(shù)據(jù)總線接收電路通過大于5K歐姆的電阻來防護(hù)低頻單向的閃電波形，分路濾波元件（shunt）與圖2中的電阻共同工作防止產(chǎn)生阻尼正弦波形。濾波分路元件也用于防護(hù)閃電帶來的沖擊電壓。

這兩種濾波器將使噪音在截止頻率以上較低，所以接收端對(duì)于射頻傳導(dǎo)敏感性不敏感。射頻能量發(fā)射載接收斷電路比較低。

2.2.3離散量輸入端

圖3所示為這種電路的典型EMI/閃電防護(hù)原理圖。大的串聯(lián)阻抗（例如一個(gè)10k電阻或2個(gè)5k電阻）用于限制閃電和射頻電流進(jìn)入I/O線。一個(gè)分流元件用于限制在離散讀取電路端由射頻或閃電引起的電壓變化。

對(duì)于射頻敏感性，這2個(gè)元件濾波器能夠使輸入電路輸入端的射頻干擾電壓低于敏感門限值。

對(duì)于閃電，尤其對(duì)于單極波形（例如 WF5A），輸入信號(hào)的狀態(tài)會(huì)有小于一秒種的變化，邏輯狀態(tài)也許會(huì)改變。軟件應(yīng)該有故障容錯(cuò)功能，有必要是在對(duì)一個(gè)新的輸入值有反應(yīng)前應(yīng)等待10秒鐘。

2.2.4離散量輸出

離散量輸出電路的能量輻射不顯著，電路中裝有一個(gè)EMI濾波器限制能量發(fā)射。EMI濾波器與瞬變電壓抑制器（TVS）共同作用防護(hù)閃電，如圖4。

2.2.5電源線上的EMI濾波

電源輸入線應(yīng)設(shè)計(jì)有足夠的EMI濾波和閃電保護(hù)裝置。

2.2.6外殼設(shè)計(jì)

電子設(shè)備外殼由成型的或機(jī)加的鋁材料構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)用于提供統(tǒng)一的低阻抗和足夠的RF屏蔽以滿足規(guī)定的射頻能量發(fā)射和射頻敏感性等級(jí)。外殼配合面是傳導(dǎo)的并在配合面提供低阻抗的金屬-金屬搭接。

機(jī)械設(shè)計(jì)可采用法拉第屏蔽設(shè)計(jì)理念用來削弱電場(chǎng)和最小化能夠產(chǎn)生H-fields 的表面阻抗失諧。機(jī)械外殼最小程度使用空隙和孔徑（例如連接器外殼）以保持屏蔽效果。

2.3飛機(jī)電纜構(gòu)型

首先評(píng)估互聯(lián)電纜屏蔽的必要性。線纜束由多根屏蔽線（例如雙絞和三絞線等）組成，通過屏蔽把敏感信號(hào)與噪音信號(hào)線隔離。對(duì)于電子設(shè)備的所有包含RF、通信和高速數(shù)據(jù)線的屏蔽電纜的終端（電纜的兩端）推薦使用360度屏蔽。

由于重量的限制并不要求對(duì)所有單根電纜進(jìn)行屏蔽。單獨(dú)屏蔽僅用于低電壓或有可能產(chǎn)生串?dāng)_的情況，并使用多點(diǎn)接地。外部地的阻抗要盡可能的低。

2.4搭接

對(duì)于防HIRF和靜電，設(shè)備到金屬結(jié)構(gòu)的足夠的搭接是必要的?！柏i尾巴”接地連接要盡量避免。當(dāng)必須采用“豬尾巴”連接時(shí)，連接線到設(shè)備的長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能的短。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)商用托架時(shí)應(yīng)注意確保設(shè)備和托架間、托架和結(jié)構(gòu)間的低阻抗搭接。

3結(jié)論

電磁環(huán)境會(huì)使機(jī)載電子設(shè)備的狀態(tài)發(fā)生變化甚至損壞，對(duì)飛機(jī)的安全運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。本文結(jié)合民用機(jī)載電子設(shè)備EMC電磁兼容設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)EMC電磁兼容設(shè)計(jì)原則進(jìn)行闡述。民用飛機(jī)的高安全性要求使得電子設(shè)備EMC電磁兼容設(shè)計(jì)得到了適航審查當(dāng)局和研制單位的日益重視。

參考文獻(xiàn)

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