航天器電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)小衛(wèi)星平臺(tái)某電子設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境，給出了電磁兼容性(EMC)設(shè)計(jì)原則和具體方法，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)及PCB板設(shè)計(jì)等，EMC試驗(yàn)表明該設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)合理，這對(duì)星載電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)有較高的參考價(jià)值。

　　隨著電子技術(shù)應(yīng)用的日益發(fā)展，電子設(shè)備越來越復(fù)雜，電磁環(huán)境日趨惡劣，它影響了電子設(shè)備和系統(tǒng)的正常工作和性能。一個(gè)性能好的電子產(chǎn)品必須考慮電磁兼容問題，既不能有電磁輻射干擾其他電子設(shè)備的正常工作，又要具備較低的敏感度，能抵抗規(guī)定的電磁干擾。

　　航天器電子設(shè)備對(duì)體積，質(zhì)量和功耗的限制是十分苛刻的，而對(duì)產(chǎn)品高性能的追求也是不斷提高。某電子設(shè)備是適應(yīng)小衛(wèi)星平臺(tái)小型化、集成化的需求，將多種功能線路組合在一起，設(shè)備內(nèi)部干擾源和敏感器件多，信號(hào)傳輸線多，空間小，相互間很容易造成干擾。如果干擾效應(yīng)嚴(yán)重，將導(dǎo)致系統(tǒng)失靈，甚至可能產(chǎn)生嚴(yán)重的故障，所以電磁兼容性是該設(shè)備的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

　　1 電磁兼容性與電磁干擾

　　電磁兼容性(EMC)是指電子設(shè)備在預(yù)期的電磁環(huán)境中能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。其目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾又能減少其本身對(duì)其他電子設(shè)備的電磁干擾。電磁干擾(EMI)可理解為一種有損于有用信號(hào)的電磁現(xiàn)象，干擾的來源主要有本電子設(shè)備內(nèi)部形成的干擾以及外界耦合到本電子設(shè)備形成的干擾。

　　電磁兼容主要解決的是電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)間的電磁干擾問題，構(gòu)成電磁干擾必須具備3個(gè)因素，即干擾源、受干擾對(duì)象(敏感設(shè)備)及兩者間耦合路徑。電磁干擾的基本模型就是這3個(gè)因素的串聯(lián)，如圖1所示。

　　系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)部要發(fā)生電磁兼容性問題，必須同時(shí)存在以上3個(gè)因素，在解決電磁兼容問題時(shí)，要從這3個(gè)因素入手，消除其中某一個(gè)因素，就能解決問題。對(duì)新研制的電子設(shè)備，應(yīng)該從設(shè)計(jì)開始階段就考慮電磁兼容，進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段就考慮電磁兼容，遠(yuǎn)比制作成型后再試圖滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求而采取措施更節(jié)省人力和物力。所以電子設(shè)備必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就要考慮電磁兼容問題。

　　2 某星載電子設(shè)備簡介

　　小衛(wèi)星平臺(tái)某電子設(shè)備是衛(wèi)星的主要控制器之一，如圖2所示。

　　以處理器控制單元為中心，外圍包括DC/DC模塊、串行通訊模塊、推力器驅(qū)動(dòng)模塊、磁力矩器驅(qū)動(dòng)模塊、供配電模塊等單元。設(shè)備內(nèi)既有DC/DC、部件供配電、推力器驅(qū)動(dòng)等強(qiáng)干擾源信號(hào)，又有A/D和D/A輸入輸出小信號(hào)，同時(shí)還存在高速脈沖輸入信號(hào)，以及控制單元內(nèi)部的高速時(shí)鐘信號(hào)。因而設(shè)備內(nèi)部的電磁環(huán)境很復(fù)雜，電磁兼容性成為該設(shè)備的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，結(jié)果的好壞直接影響產(chǎn)品的性能。

　　3 電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　3.1 結(jié)構(gòu)與地線設(shè)計(jì)

　　本星載電子設(shè)備采用無線纜機(jī)箱結(jié)構(gòu)，相對(duì)傳統(tǒng)電纜結(jié)構(gòu)機(jī)箱，無線纜機(jī)箱能大大減少電磁干擾，這是因?yàn)?0%的EMC問題是因電纜造成，電纜是高效的電磁波接收天線和輻射天線，同時(shí)也是干擾傳導(dǎo)的良好通道。如圖3所示，設(shè)備采用雙總線板結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)總線板實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部各功能板之間的信號(hào)傳遞，通過內(nèi)總線板與外總線板之間的“大芯數(shù)轉(zhuǎn)接內(nèi)電連接器”以及外總線板上的“焊針型直插印制板電連接器”實(shí)現(xiàn)內(nèi)部信號(hào)與設(shè)備外部信號(hào)之間的傳遞。

　　機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將強(qiáng)弱信號(hào)所在的線路板分開進(jìn)行合理布局，易產(chǎn)生電磁干擾的線路板設(shè)置在機(jī)箱的上下側(cè)邊，使產(chǎn)生的干擾信號(hào)能通過機(jī)箱外殼釋放，數(shù)字等敏感信號(hào)處理線路板放置在機(jī)箱中部，二次電源模塊是主要的干擾源，由主備份兩塊線路板組成，正常工作時(shí)使用主份，所以將份板放在機(jī)箱最外側(cè)，備份二次電源板平常不工作，成為一道屏障阻止主份二次電源板產(chǎn)生的干擾信號(hào)向機(jī)箱內(nèi)輻射。

　　設(shè)備內(nèi)部的地線包括一次地、數(shù)字地和模擬地，其中數(shù)字地和模擬地屬于二次地。設(shè)計(jì)時(shí)將數(shù)字地和模擬地分開布線，在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行單點(diǎn)連接，一次地與數(shù)字地和模擬地進(jìn)行嚴(yán)格隔離，避免單機(jī)接地故障為一次電源帶來致命的危害從而影響整星的正常工作。內(nèi)外總線板是設(shè)備強(qiáng)弱信號(hào)輸入輸出通道，為遏制和減小這些信號(hào)之間的干擾，將內(nèi)外總線板上的強(qiáng)弱信號(hào)按區(qū)域劃分，同時(shí)分割相應(yīng)的地層，由于地線層處處等電位，不會(huì)產(chǎn)生共模電阻耦合，也不會(huì)經(jīng)地線形成環(huán)流產(chǎn)生天線效應(yīng)，使電磁干擾能以最短的路徑進(jìn)入地線而消失。

　　3.2 濾波與屏蔽

　　濾波的功能是讓指定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而將其他頻率信號(hào)加以抑制。它是減弱傳導(dǎo)干擾和輻射于擾最常用手段之一，特別是對(duì)瞬態(tài)干擾的抑制更有效。本星載電子設(shè)備的濾波設(shè)計(jì)主要是對(duì)DC/DC電源模塊濾波和對(duì)線路去耦電容濾波。

　　在DC/DC模塊的輸入濾波電路主要由一級(jí)∏濾波和兩級(jí)LC濾波電路組成，采用差模和共模組合式濾波措施，能有效阻止來自電源母線的噪聲干擾，同時(shí)阻止DC/DC電源本身產(chǎn)生的開關(guān)噪聲反饋到一次母線內(nèi)阻上，形成公害。

　　在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)，通過在電路上加去耦電容來滿足數(shù)字電路工作時(shí)要求的電源平穩(wěn)和潔凈度。去耦電容的充放電作用使集成芯片得到的供電電壓比較平穩(wěn)，減小了電壓振蕩現(xiàn)象，集成芯片可以就近在各自的去耦電容上吸收或釋放電流，而不必通過電源線從較遠(yuǎn)的電源中取得電流。因此不會(huì)影響集成芯片的速度，同時(shí)去耦電容為集成芯片的瞬態(tài)變化電流提供了各自就近的高強(qiáng)通道，從而大大減小了向外的輻射噪聲，且相互之間沒有公共阻抗，因此抑制了共阻抗耦合。

　　設(shè)計(jì)時(shí)在每個(gè)集成芯片的電源和地腳之間加一個(gè)0.01～0.1 μF去耦電容，有效去除信號(hào)線中的高頻噪聲。在每塊線路板電源輸入端接一組5 μF電容和一組0.01μF電容，濾除電源線上的高頻干擾和低頻噪聲。