民用飛機機載電子設備電磁兼容設計淺析

韓冰

摘 要 本文討論了民用飛機機載電子設備基本電磁兼容設計策略 。

關(guān)鍵詞 電磁兼容 機載電子設備 電磁干擾

中圖分類號：TN973 文獻標識碼：A

0前言

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

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設備設計原則

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

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

（3）敷設電路板時減少接地環(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)使用單個感應器，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行評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、布局和布線合理設計一級或二級EMI濾波器。濾波器回路應通過低阻抗路徑（例如地平面）連接到機殼。

（7）印刷板組件EMI濾波器使用地平面以降低電感，另外使用設備架接地螺栓能夠進一步降低阻抗。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。

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

（9）恰當?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。所有的飛機電源回路不能在設備內(nèi)部連接機殼地。

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

2.1 PBA設計原則

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以非?？斓乃俾剩ɡ?納秒）進行切換，能夠干擾相鄰的模擬電路，所以要進行隔離。

2.1.2最小化環(huán)路區(qū)域

線路（信號和信號回路）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)域增加就會增加信號噪音的吸收和發(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，而不是簡單的信號回線。專門的地平面為信號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，信號線與回線數(shù)目之比小于5：1；

（3）針對長平行走線的串擾，增加其間距或在走線之間加一根零伏線；

（4）手工時鐘布線，遠離I/O 電路，可考慮加專用信號回程線；

（5）關(guān)鍵線路如復位線等接近地回線；

（6）為使串擾減至最小，采用雙面#字型布線；

（7）高速線避免走直角；

（8）強弱信號線分開。

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設計

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)射防護設計技術(shù)。

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

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

對于閃電，通過組合控向二級管（SD）和電阻序列（RS）保護輸入。如果有一個反向的輸入，控向二級管 SD4 和/或SD3將被正向偏壓，這時依靠TVS2把電壓箝位在安全范圍來保護電路。RS1和RS2用來在閃電效應是限制電流，這樣可以選用更為合理型號的TVS。SD在不作用時隔離導線，提供低電容瞬時保護。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，所以接收端對于射頻傳導敏感性不敏感。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/閃電防護原理圖。大的串聯(lián)阻抗（例如一個10k電阻或2個5k電阻）用于限制閃電和射頻電流進入I/O線。一個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。

對于射頻敏感性，這2個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。

對于閃電，尤其對于單極波形（例如 WF5A），輸入信號的狀態(tài)會有小于一秒種的變化，邏輯狀態(tài)也許會改變。軟件應該有故障容錯功能，有必要是在對一個新的輸入值有反應前應等待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）共同作用防護閃電，如圖4。

2.2.5電源線上的EMI濾波

電源輸入線應設計有足夠的EMI濾波和閃電保護裝置。

2.2.6外殼設計

電子設備外殼由成型的或機加的鋁材料構(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。外殼配合面是傳導的并在配合面提供低阻抗的金屬-金屬搭接。

機械設計可采用法拉第屏蔽設計理念用來削弱電場和最小化能夠產(chǎn)生H-fields 的表面阻抗失諧。機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飛機電纜構(gòu)型

首先評估互聯(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與噪音信號線隔離。對于電子設備的所有包含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所有單根電纜進行屏蔽。單獨屏蔽僅用于低電壓或有可能產(chǎn)生串擾的情況，并使用多點接地。外部地的阻抗要盡可能的低。

2.4搭接

對于防HIRF和靜電，設備到金屬結(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。當必須采用“豬尾巴”連接時，連接線到設備的長度應該盡可能的短。當使用標準商用托架時應注意確保設備和托架間、托架和結(jié)構(gòu)間的低阻抗搭接。

3結(jié)論

電磁環(huán)境會使機載電子設備的狀態(tài)發(fā)生變化甚至損壞，對飛機的安全運行產(chǎn)生重要影響。本文結(jié)合民用機載電子設備EMC電磁兼容設計特點，對EMC電磁兼容設計原則進行闡述。民用飛機的高安全性要求使得電子設備EMC電磁兼容設計得到了適航審查當局和研制單位的日益重視。

參考文獻

[1] RTCA/DO-160G：Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment， December 8，2010.

[2] 馬永健.EMC設計工程實務[M].國防工業(yè)出版社，2008：73-338.