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        GJB151B標(biāo)準(zhǔn)部分解析及常規(guī)機(jī)載電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)

        2021-08-27 07:18:58艾鐵柱趙君閆穩(wěn)任曉琨
        中國(guó)新通信 2021年12期
        關(guān)鍵詞:電磁兼容設(shè)計(jì)方法

        艾鐵柱 趙君 閆穩(wěn) 任曉琨

        【摘要】? ? 電磁兼容設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè),一個(gè)是保證電路之間、模塊之間、系統(tǒng)內(nèi)部的自兼容,另一個(gè)是順利通過(guò)電磁兼容試驗(yàn),隨著電磁兼容要求納入強(qiáng)制認(rèn)證,大部分硬件設(shè)計(jì)師已經(jīng)開(kāi)始有意識(shí)開(kāi)展電磁兼容設(shè)計(jì),GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》作為軍用機(jī)載電子設(shè)備電磁兼容要求,約束著機(jī)載電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì),本文從GJB151B中篩選出針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備常用若干項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目和要求進(jìn)行解析,同時(shí)給出了常規(guī)機(jī)載電子設(shè)備的針對(duì)性設(shè)計(jì)方法。

        【關(guān)鍵詞】? ? GJB151B? ? 電磁兼容? ? 機(jī)載電子設(shè)備? ? 設(shè)計(jì)方法

        引言:

        隨著電氣電子技術(shù)在航空飛行器上的成熟應(yīng)用,機(jī)載電子設(shè)備所處的電磁環(huán)境日益復(fù)雜,各類航空電子設(shè)備及分系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)與評(píng)估就顯得越來(lái)越重要。使設(shè)備和系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容的方法是首先對(duì)其運(yùn)行所處的電磁環(huán)境進(jìn)行評(píng)估,這種電磁環(huán)境評(píng)估通常依據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求進(jìn)行,然后再進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造,使這些設(shè)備和系統(tǒng)能在預(yù)定的工作環(huán)境中工作而自身不產(chǎn)生電磁干擾。這里從GJB151B對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的要求進(jìn)行解析,并針對(duì)常規(guī)機(jī)載電子設(shè)備提出電磁兼容設(shè)計(jì)措施。

        一、輻射發(fā)射防護(hù)設(shè)計(jì)

        RE102? 2MHz~18GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射

        具體要求:輻射發(fā)射限值不超過(guò)GJB151B中圖57中適用于固定翼內(nèi)部首尾間距小于25m的曲線限值。

        此項(xiàng)目考核系統(tǒng)2MHz~18GHz電場(chǎng)空間輻射發(fā)射水平,針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備信號(hào)頻點(diǎn)在此項(xiàng)目頻率范圍之內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行減擾設(shè)計(jì),特別是主要干擾源的電源功率信號(hào)和高頻數(shù)字信號(hào),晶振應(yīng)放在PCB的中間位置,避免接近邊緣,晶振周圍包地設(shè)計(jì),并且晶振下方不經(jīng)過(guò)印制線。時(shí)鐘信號(hào)也不應(yīng)布在印制板的邊緣,盡量設(shè)計(jì)在兩層地平面的中間層。在嚴(yán)格執(zhí)行通用電磁兼容設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下,重點(diǎn)屏蔽加固設(shè)計(jì):1.機(jī)箱屏蔽加固設(shè)計(jì);2.電纜屏蔽加固設(shè)計(jì);3.接地加固設(shè)計(jì)。

        二、傳導(dǎo)發(fā)射防護(hù)設(shè)計(jì)

        CE102 10kHz~10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射

        具體要求:電源線傳導(dǎo)發(fā)射不應(yīng)超過(guò)圖2中的極限值

        這里以機(jī)載電子設(shè)備最常見(jiàn)的28V直流供電電源線展開(kāi)說(shuō)明,適用于機(jī)載電子設(shè)備的28V直流電源的高低線。選取極限范圍為:額定電壓的+50%,-150%,傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試曲線應(yīng)選擇GJB151B-2013中的圖CE102-1基準(zhǔn)曲線。機(jī)載電子設(shè)備通常通過(guò)DC/DC電源模塊隔離變換一次電源28V,產(chǎn)生電子部件內(nèi)部需要+5V等二次電源,因此一次電源線上的干擾噪聲主要來(lái)源于DC/DC模塊的工作開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波。電子部件采用的DC/DC模塊開(kāi)關(guān)頻率在500kHz~600kHz之間,針對(duì)性的選擇EMI濾波器在500kHz頻率以上有至少40dB的抑制能力。電子部件的EMI濾波器設(shè)計(jì)在一次電源的入口處,通過(guò)法蘭安裝在散熱冷板上,冷板導(dǎo)電氧化處理,冷板與機(jī)箱之間通過(guò)導(dǎo)電的機(jī)械鎖緊條緊固,保證濾波器外殼與機(jī)箱殼地之間的低阻抗連接,增強(qiáng)對(duì)DC/DC產(chǎn)生共模噪聲的抑制能力。

        三、傳導(dǎo)敏感度防護(hù)設(shè)計(jì)

        3.1 CS101 25Hz~150KHz電源線傳導(dǎo)敏感度

        具體要求:當(dāng)按圖曲線二的電壓限值進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),被測(cè)設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值、或超出單個(gè)設(shè)備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標(biāo)允差。

        測(cè)試中對(duì)機(jī)載電子設(shè)備電源線施加GJB151B-2013中的圖CS101-1曲線2,見(jiàn)圖3。根據(jù)CS101的曲線2,最大的噪聲電壓是126dB?V,即為2V的電壓值。在25Hz~10kHz的頻段內(nèi),電子部件DC/DC模塊內(nèi)部的反饋控制環(huán)路能夠響應(yīng)輸入一次電源2V以內(nèi)的電壓波動(dòng),可保證輸出的二次電源電壓穩(wěn)定度及紋波不受影響;在10kHz~50kHz的頻段內(nèi),EMI濾波器至少需要有10dB的衰減能力,可將噪聲電平降低三分之二左右,如果電子部件內(nèi)部電路的工作頻率均遠(yuǎn)高于50kHz,可認(rèn)為在該頻段內(nèi)噪聲不會(huì)影響電子部件的二次電源。根據(jù)以上分析,無(wú)需增加額外的電路設(shè)計(jì)來(lái)抑制CS101的干擾噪聲,電子部件可保證正常工作。

        3.2 CS106電源線尖峰信號(hào)傳導(dǎo)敏感度

        具體要求:按照GJB151B-2013曲線施加電源線尖峰信號(hào),被測(cè)設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值、或超出單個(gè)設(shè)備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標(biāo)允差。峰值電壓為400V。

        機(jī)載電子設(shè)備電源入口端通過(guò)設(shè)計(jì)TVS管,尖峰電壓吸收器件,選擇TVS瞬態(tài)浪涌抑制二極管將尖峰電壓抑制在后端器件可接受的范圍之內(nèi);根據(jù)瞬態(tài)時(shí)間和功耗以及擊穿電壓,可選擇相應(yīng)TVS器件,保證400V/10μs尖峰正常使用。

        3.3 CS112? 靜電放電敏感度

        具體要求:在空氣放電(最大15KV)和接觸放電(最大8KV)條件下,被測(cè)設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值、或超出單個(gè)設(shè)備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標(biāo)允差。試驗(yàn)放電網(wǎng)絡(luò)為150pF,330Ω。1.電路設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備的靜電防護(hù)設(shè)計(jì),優(yōu)先采用ESD敏感度不低于2級(jí)的電子元器件,若必須采用ESD敏感度為1級(jí)的元?dú)饧r(shí),其保護(hù)電路應(yīng)設(shè)置在慣導(dǎo)部件相關(guān)SRU功能模塊的最低層次上。2.機(jī)箱屏蔽設(shè)計(jì)。為提高靜電抗擾度,在機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需使得機(jī)箱能夠形成一個(gè)良好電接觸的導(dǎo)體,首先在機(jī)箱壁內(nèi)表面進(jìn)行導(dǎo)電陽(yáng)極化處理,最大限度的減少機(jī)箱面板裝配后可能的存在的縫隙,使機(jī)箱形成一個(gè)封閉的良好導(dǎo)電結(jié)構(gòu),在遭受靜電時(shí)能夠迅速通過(guò)機(jī)箱殼將電荷導(dǎo)向大地,避免靜電電荷積累。3.電搭接設(shè)計(jì)。按照GJB 358-1987《軍用飛機(jī)電搭接技術(shù)要求》和產(chǎn)品電磁環(huán)境效應(yīng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行,部件的機(jī)箱與飛機(jī)基本構(gòu)件之間采用電氣搭界技術(shù),使得設(shè)備外殼到機(jī)體基本結(jié)構(gòu)之間有連續(xù)的低阻抗通路,電阻小于2.5mΩ,保證靜電的泄放通道。

        3.4 CS114 、CS115、 CS116電纜束注入傳導(dǎo)敏感度

        電纜束注入傳導(dǎo)敏感度項(xiàng)目包括CS114 、CS115、 CS116。其中CS114 10KHz~400MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度項(xiàng)目要求最嚴(yán)。此項(xiàng)目主要考核電纜束的抗干擾能力,在做好上述電路的濾波設(shè)計(jì)的同時(shí),重點(diǎn)電纜束的防護(hù)設(shè)計(jì)。

        1.電纜屏蔽層應(yīng)與機(jī)箱殼360度端接,機(jī)箱殼應(yīng)有良好的地搭接;2.電纜內(nèi)部信號(hào)分類布線設(shè)計(jì),最大限度的減小串?dāng)_,提高抗干擾能力;3.總線和外部模擬輸入和輸出都采用差分平衡電路設(shè)計(jì),提高共模干擾抑制能力;4.檢測(cè)電路設(shè)計(jì)濾波防抖動(dòng)電路,避免系統(tǒng)誤報(bào)故障。

        在產(chǎn)品對(duì)外接口信號(hào)處感應(yīng)共模電壓干擾,為抑制噪聲電平,應(yīng)針對(duì)性的設(shè)計(jì)共模濾波電路。為保證輸入和輸出阻抗匹配,對(duì)發(fā)射和干擾有相同的濾波能力,設(shè)計(jì)圖4為L(zhǎng)C型的π型濾波電路,截止頻率為。

        也可以使用RC型的π型濾波器,截止頻率為,在RC濾波電路中,R值越大截止頻率越低、濾波的帶寬越大;但是RC濾波器還有一點(diǎn)需要注意的是,由于有電阻器本身就是耗能的元件,在此處一定會(huì)有功耗以及壓降,當(dāng)電壓比較小、電流比較大的時(shí)候,必須要考慮必出的功耗以及壓降。

        四、輻射敏感度防護(hù)設(shè)計(jì)

        4.1 RS101? 25Hz~100kHz磁場(chǎng)輻射敏感度

        因考核頻率范圍均在25Hz~100kHz,機(jī)載電子設(shè)備CPU主頻通常為幾十MHz,磁場(chǎng)輻射敏感度考核不在晶振工作范圍之內(nèi),敏感度試驗(yàn)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)功能性能產(chǎn)生影響,所以除常規(guī)機(jī)箱、電纜屏蔽措施之外,無(wú)需再針對(duì)性設(shè)計(jì)。

        4.2 RS103 10KHz~40GHz電場(chǎng)輻射敏感度及高強(qiáng)輻射場(chǎng)

        具體要求:當(dāng)按200V/m和電場(chǎng)限值進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),被測(cè)設(shè)備不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低或偏離規(guī)定的指標(biāo)值、或超出單個(gè)設(shè)備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標(biāo)允差。

        此項(xiàng)目主要考核系統(tǒng)整體的抗輻射干擾能力,而200V/m的電場(chǎng)限值與CS114的嚴(yán)酷度類似,因此在做好電路的降敏設(shè)計(jì)及CS114電纜束屏蔽加固設(shè)計(jì)的同時(shí),重點(diǎn)應(yīng)在機(jī)箱的屏蔽加固設(shè)計(jì)及接地加固設(shè)計(jì)。

        參? 考 文? 獻(xiàn)

        [1]楊自佑等譯,電磁兼容原理與應(yīng)用-方法、分析、電路、測(cè)量(原書(shū)第三版)? 機(jī)械工業(yè)出版社

        [2]楊繼深編著,電磁兼容(EMC)技術(shù)之產(chǎn)品研發(fā)及認(rèn)證? 電子工業(yè)出版社

        [3]徐亮,GJB151B傳導(dǎo)敏感度測(cè)試要求的分析? 微波學(xué)報(bào),2017年第2期

        [4]許鳴,某機(jī)載飛行控制器傳導(dǎo)敏感度分析與設(shè)計(jì)? 艦船電子工程,2016年第1期

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