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)

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，一個是保證電路之間、模塊之間、系統(tǒng)內(nèi)部的自兼容，另一個是順利通過電磁兼容試驗(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)開始有意識開展電磁兼容設(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，同時給出了常規(guī)機(jī)載電子設(shè)備的針對性設(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)與評估就顯得越來越重要。使設(shè)備和系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容的方法是首先對其運(yùn)行所處的電磁環(huán)境進(jìn)行評估，這種電磁環(huán)境評估通常依據(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對機(jī)載電子設(shè)備的要求進(jìn)行解析，并針對常規(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電場輻射發(fā)射

具體要求：輻射發(fā)射限值不超過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電場空間輻射發(fā)射水平，針對機(jī)載電子設(shè)備信號頻點(diǎn)在此項(xiàng)目頻率范圍之內(nèi)的信號進(jìn)行減擾設(shè)計(jì)，特別是主要干擾源的電源功率信號和高頻數(shù)字信號，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)過印制線。時鐘信號也不應(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)超過圖2中的極限值

這里以機(jī)載電子設(shè)備最常見的28V直流供電電源線展開說明，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源于DC/DC模塊的工作開關(guān)頻率及其高次諧波。電子部件采用的DC/DC模塊開關(guān)頻率在500kHz～600kHz之間，針對性的選擇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，被測設(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、或超出單個設(shè)備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標(biāo)允差。

測試中對機(jī)載電子設(shè)備電源線施加GJB151B-2013中的圖CS101-1曲線2，見圖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，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)噪聲不會影響電子部件的二次電源。根據(jù)以上分析，無需增加額外的電路設(shè)計(jì)來抑制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，被測設(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級的電子元器件，若必須采用ESD敏感度為1級的元?dú)饧r，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)箱形成一個封閉的良好導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，在遭受靜電時能夠迅速通過機(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，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.檢測電路設(shè)計(jì)濾波防抖動電路，避免系統(tǒng)誤報故障。

在產(chǎn)品對外接口信號處感應(yīng)共模電壓干擾，為抑制噪聲電平，應(yīng)針對性的設(shè)計(jì)共模濾波電路。為保證輸入和輸出阻抗匹配，對發(fā)射和干擾有相同的濾波能力，設(shè)計(jì)圖4為LC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，在此處一定會有功耗以及壓降，當(dāng)電壓比較小、電流比較大的時候，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)不會對系統(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，無需再針對性設(shè)計(jì)。

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

具體要求：當(dāng)按200V/m和電場限值進(jìn)行試驗(yàn)時，被測設(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，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、測量（原書第三版）? 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)敏感度測試要求的分析? 微波學(xué)報，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