王亦楠，韓獻(xiàn)堂，謝 晨

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

新型能源系統(tǒng)衛(wèi)星平臺是世界衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的方向。一種采用電推進(jìn)技術(shù)替代傳統(tǒng)的燃料推進(jìn)技術(shù)的衛(wèi)星，可以將衛(wèi)星的有效質(zhì)量從傳統(tǒng)的40%提高到90%，是衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)的革命。在通信衛(wèi)星領(lǐng)域，采用新型能源系統(tǒng)的衛(wèi)星平臺將帶來多個(gè)方面的優(yōu)勢。為此，我國開展了新型能源系統(tǒng)衛(wèi)星的研制，衛(wèi)星在軌服務(wù)壽命達(dá)到10年以上，儲能電源采用鋰離子蓄電池組。鋰離子蓄電池組管理單元用于對每節(jié)單體電池進(jìn)行電池電壓采集、均衡控制和Bypass控制，使鋰離子電池單體電壓保持在預(yù)期的范圍內(nèi)，保證每節(jié)單體電池在衛(wèi)星壽命期間性能的一致性，使其滿足衛(wèi)星在軌壽命的使用要求。

本文針對鋰離子蓄電池組管理單元自身的電路及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析EMC干擾源及干擾傳導(dǎo)的機(jī)理，并根據(jù)干擾的產(chǎn)生方式，定制對應(yīng)措施；再進(jìn)一步根據(jù)仿真，定性地得出電池組管理單元的電磁輻射情況。

1 鋰離子電池組管理單元電磁兼容分析

鋰離子電池組管理單元中包含二次電源電路、Bypass功率開關(guān)電路、下位機(jī)電路和測控轉(zhuǎn)接電路。在星載電子設(shè)備的EMC測試中[1-2]，一般包括四個(gè)方面的內(nèi)容，即輻射發(fā)射測試、傳導(dǎo)發(fā)射測試、傳導(dǎo)敏感度、輻射敏感度。

輻射發(fā)射測試實(shí)質(zhì)：測試產(chǎn)品中兩種等效天線所產(chǎn)生的輻射信號，第一種是等效天線信號環(huán)路，環(huán)路是產(chǎn)生的輻射等效天線，這種輻射產(chǎn)生的源頭是環(huán)路中流動著的電流信號(通常為正常工作信號，它是一種差模信號，如時(shí)鐘信號及其諧波)；第二種是等效天線模型是單極天線或者偶極子天線，這些被等效成單極天線或者偶極子天線的導(dǎo)體通常是產(chǎn)品中的電纜或其他尺寸較長的導(dǎo)體中流過的共模電流信號。

傳導(dǎo)發(fā)射的測試實(shí)質(zhì)：大部分的電源端口傳導(dǎo)發(fā)射問題產(chǎn)生于共模電流，分析其路徑和大小有著極其重要的意義。

傳導(dǎo)敏感度測試實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)上是測試產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是否能避免瞬態(tài)共模電流(ESD電流)流過產(chǎn)品，若不流過，則證明其設(shè)計(jì)合格。

輻射敏感度測試實(shí)質(zhì)：在PCB中，信號從源驅(qū)動端出發(fā)，傳輸?shù)截?fù)載端，再從負(fù)載端將信號回流傳回至源端形成信號電流的閉環(huán)，即每個(gè)信號的傳送都包含一個(gè)回路。輻射敏感度即為測試測試每個(gè)回路感應(yīng)的電流大小。

2 鋰離子電池組管理單元EMC設(shè)計(jì)

管理單元包括四部分電路，根據(jù)電路自身的特點(diǎn)分別進(jìn)行了EMC干擾源的識別，并有針對性的采取相應(yīng)措施進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，以滿足衛(wèi)星在軌壽命的使用要求。

2.1 二次電源電路

二次電源電路主要由DC/DC、EMI濾波器、磁保持繼電器及熔斷器組成。

DC/DC選用100 V轉(zhuǎn)±15 V和+5 V的厚膜電源模塊。該模塊可以為+5 V提供不低于2 A的電流，滿足1553B通信模塊的功率需求。

EMI濾波器選用專門配置的濾波器模塊，以減小DC/DC對母線的反射紋波。濾波器安裝時(shí)靠近DC/DC與模塊的入口，從而降低傳導(dǎo)輻射的強(qiáng)度。濾波器的安裝位置如圖1所示，C代表去耦電容。

圖1 濾波器接入位置

2.2 Bypass功率開關(guān)電路

Bypass功率開關(guān)電路由兩只磁保持繼電器及其控制電路組成。兩只繼電器分別串接入功率電源的正、負(fù)線上。兩只繼電器均使用三對觸點(diǎn)作為主功率通路，使用另外一對觸點(diǎn)搭接通斷狀態(tài)的回傳信號電路。

繼電器放置在離EMI源盡量遠(yuǎn)的地方，如開關(guān)電源、時(shí)鐘輸出、總線驅(qū)動等等。繼電器下方PCB板上不能有高速走線或敏感的控制線，在本產(chǎn)品中無法避免，考慮到線圈的方向問題，要使場強(qiáng)方向和線圈的平面平行，保證穿過線圈的磁力線最少。

2.3 下位機(jī)電路

下位機(jī)電路由單片機(jī)、J61580總線控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多路開關(guān)等構(gòu)成。

(1)單片機(jī)最小單元電路

單片機(jī)最小單元電路，主要由單片機(jī)、RAM、ROM、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、地址譯碼電路等組成。

時(shí)鐘電路EMC要求：一方面使時(shí)鐘源離單板邊緣距離盡量大，另一方面使時(shí)鐘輸出到負(fù)載走線盡量短。

(2)J61580總線電路

總線通訊引擎模塊采用多芯片封裝工藝，主要由一個(gè)協(xié)議處理芯片和兩塊收發(fā)器芯片構(gòu)成。內(nèi)置了4 K×16 bit的RAM，一般應(yīng)用時(shí)無需外掛SRAM，集成了雙通道首發(fā)器、協(xié)議處理器、存儲器管理、處理器接口邏輯等。具有總線控制器(BC)/遠(yuǎn)程終端(RT)/監(jiān)聽終端(MT)三大功能。

J61580內(nèi)的兩塊收發(fā)器分別連接變壓器B3226，形成熱備份的主備接口。該主備接口與星上1553B的總線的主備接口保持一致。

(3)A/D及多路開關(guān)電路

采用AD574作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD574是美國AD公司生產(chǎn)的12位高速逐次逼近型模／數(shù)變換器，片內(nèi)自備時(shí)鐘基準(zhǔn)源，變換時(shí)間快(25 μs)，數(shù)字量輸出具有三態(tài)緩沖器，可直接與單片機(jī)的總線接口連接。

采用Intersil公司的HS1-0546RH和HS1-0548RH作為模擬量的多路選擇開關(guān)，每只HS-0546具有16路選擇功能，每只HS-0548具有8路選擇功能，需要4片多路開關(guān)完成所有模擬量的采集。

可能引起EMI問題的因素在電路上主要有以下幾個(gè)方面：

(a)開關(guān)有可能在各種回路中直接形成輻射騷擾或者通過耦合傳遞到電源線上進(jìn)行輻射發(fā)射。

(b)功率開關(guān)開通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的dU/dt也是開關(guān)電源的主要騷擾源，它作為一個(gè)電壓源，并通過各種耦合路徑使電源產(chǎn)品的電源輸入/輸出線產(chǎn)生共模輻射。

(c)二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾：一般主電路中整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流小得多，由此也可引起頻段覆蓋范圍較大的騷擾。

針對本產(chǎn)品，嘗試在開關(guān)電路上加入磁珠以作EMI防護(hù)，如圖2所示。

圖2 磁珠接入位置

對于數(shù)模轉(zhuǎn)換部分，在PCB板布局的時(shí)候需要將模擬電路部分與數(shù)字電路部分分開布局，并且在數(shù)模轉(zhuǎn)換器附近增加接地焊盤，減少數(shù)模電路之間的相互串?dāng)_。其布局如圖3所示。

圖3 接地螺釘接入位置

2.4 測控轉(zhuǎn)接電路

測控轉(zhuǎn)接電路分為兩個(gè)部分，一是主要用來調(diào)配主備份的遙測通道、主備份遙控及回采電路、主備份OCP控制信號轉(zhuǎn)接電路等信號轉(zhuǎn)接電路，二是Bypass所需的功率主備轉(zhuǎn)接電路。

通過狹縫和開槽的輻射泄露：由于狹縫和開槽的尺寸遠(yuǎn)小于電磁波的波長，故此部分的泄露也十分微弱(因?yàn)樾盘柼⑷?，沒有通過FEKO仿真出帶有殼體的增益)。

線纜上的信號串?dāng)_是形成傳導(dǎo)干擾的主要原因，因?yàn)榫€纜長度較長，且相互間沒有屏蔽，改進(jìn)方法是將信號及此信號的RTN線做成雙絞線。

3 仿真與結(jié)果

管理單元結(jié)構(gòu)如圖4所示，由結(jié)構(gòu)、電連接器、PCB板等組成。管理終端外部設(shè)置有6個(gè)安裝孔，與鋰離子電池結(jié)構(gòu)采用一體化安裝，如圖4安裝完成后，所有PCB板及其他電子元器件采用防塵罩遮蓋。

圖4 管理單元結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)采用鎂鋁合金，能夠起到相當(dāng)好的屏蔽作用，但結(jié)構(gòu)的一側(cè)只用防塵罩遮蓋，可考慮使用薄金屬蓋板或者對非金屬蓋板進(jìn)行導(dǎo)電漆噴涂。

從電磁場輻射的原理分析，運(yùn)用FEKO電磁仿真軟件，PCB板上頻率最高為1 MHz。

對位于結(jié)構(gòu)內(nèi)的下位機(jī)PCB板的電磁輻射性質(zhì)進(jìn)行仿真(圖5)，在相對介電常數(shù)為4.2的介質(zhì)板上覆銅線，以代表電路布線，這些銅線形成了若干的單極子天線或者環(huán)天線。饋電采用0～5 V(圖6)，頻率設(shè)置為1 MHz，在距離PCB板1 m處(規(guī)范要求)，輻射場的場分布如圖7所示，其最大值為5.2×10－5V/m，遠(yuǎn)低于要求值10－3V/m(某平臺電磁兼容性技術(shù)要求)，符合要求。

圖5 結(jié)構(gòu)與PCB板仿真示意圖

圖6 饋電示意圖

圖7 輻射場強(qiáng)度示意圖

4 結(jié)論

根據(jù)理論分析和仿真結(jié)果來看，影響管理單元的電磁干擾分為兩類，即傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。對于輻射干擾，由于管理單元模塊內(nèi)部大部分為直流信號，所以其干擾影響有限，且頻率都比較低，波長遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的尺寸，難以形成高頻的干擾，也不易向外傳播。線纜上的信號串?dāng)_是形成傳導(dǎo)干擾的主要原因，因?yàn)榫€纜長度較長，且相互間沒有屏蔽，改進(jìn)方法是在電池內(nèi)部將信號及此信號的電池電壓采樣線做成雙絞線，采用措施后，可以滿足衛(wèi)星電子設(shè)備的電磁兼容要求。

[1]王志成.星載電子設(shè)備試驗(yàn)的電磁干擾三要素分析[J].無線電工程，2009，39(6)：49-51.

[2]張興國，周新發(fā)，江耿豐，等.某星載電子設(shè)備電磁干擾問題分析與探討[J].航天控制，2014，32(4)：86-90.