航天器DC-DC變換器EMC設(shè)計(jì)與測(cè)試分析

作者：時(shí)間：2013-05-23 來源：網(wǎng)絡(luò)

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1、引言

DC-DC變換器是航天器在地面測(cè)試和在軌運(yùn)行的各個(gè)階段將一次電源母線電壓變換成各分系統(tǒng)及電子設(shè)備所需的電壓，供航天器上負(fù)載使用的重要裝載設(shè)備。我國(guó)在1986年制訂了國(guó)軍標(biāo)GJB-151-86，對(duì)電子設(shè)備包括DC-DC變換器的EMC（電磁兼容性）做出了規(guī)定。由于航天器上裝載有很多電子儀器設(shè)備，如通信、遙測(cè)與遙控設(shè)備等，這些設(shè)備對(duì)EMI（電磁干擾）很敏感，超標(biāo)的EMI會(huì)使這些設(shè)備產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)和指令，嚴(yán)重影響航天器的整體安全、穩(wěn)定工作。因此，DC-DC變換器的EMC設(shè)計(jì)很重要。

2、航天器DC-DC變換器EMC技術(shù)要求

航天器DC-DC變換器通常要求進(jìn)行的EMC測(cè)試項(xiàng)目見表1，各測(cè)試項(xiàng)目的要求是以GJB151A-97為基礎(chǔ)，并參考了我國(guó)通信衛(wèi)星對(duì)設(shè)備級(jí)產(chǎn)品EMC要求。

表1 航天器DC-DC變換器EMC要求測(cè)試項(xiàng)目

2.1 輻射發(fā)射控制要求（RE102）

輻射發(fā)射是檢驗(yàn)設(shè)備以電磁輻射的形式向空間發(fā)射的干擾強(qiáng)度是否超過限制值，RE102是電場(chǎng)輻射發(fā)射試驗(yàn)。受試設(shè)備（EUT）的RE102（10kHz～18GHz）應(yīng)不超過圖1的要求。EUT工作頻率較低，試驗(yàn)頻率上限可到1GHz或其最高工作頻率的10倍，取較大者。

圖1 RE102無意電場(chǎng)輻射發(fā)射限制曲線

2.2 傳導(dǎo)發(fā)射控制要求（CE102）

電流往往會(huì)借助電源線產(chǎn)生電磁輻射，CE102是檢驗(yàn)設(shè)備以射頻傳導(dǎo)的方式發(fā)射的干擾強(qiáng)度是否超過限制值。本要求適用于航天器上的所有設(shè)備電源導(dǎo)線。EUT的CE102(10kHz～10MHz)電平應(yīng)滿足圖2要求。

圖2 CE102電源線傳導(dǎo)發(fā)射限制曲線

2.3 輻射敏感度要求（RS103）

輻射敏感度檢驗(yàn)設(shè)備能否抵抗外界的電磁干擾，RS103是關(guān)于電場(chǎng)干擾的。當(dāng)按規(guī)定的強(qiáng)度對(duì)EUT進(jìn)行RS103（2MHz～18GHz）試驗(yàn)時(shí)，EUT工作級(jí)和性能級(jí)應(yīng)分別滿足相應(yīng)級(jí)別的敏感度判斷準(zhǔn)則要求，試驗(yàn)頻率上限到1GHz或EUT最高工作頻率的10倍。EUT的電場(chǎng)輻射敏感度要求具體指標(biāo)見表2。

表2 RS103不同等級(jí)的測(cè)試限值要求

2.4 傳導(dǎo)敏感度要求(CS101、CS114、CS115、CS116)

電源線傳導(dǎo)敏感度（CS101 30Hz～150kHz）：本要求適用于直流電源線，不包括回線。CS101電源線注入電壓及功率要求見表3，EUT應(yīng)滿足性能級(jí)要求。

表3 CS101電源線注入電壓及注入功率要求

電纜束注入傳導(dǎo)敏感度CS114(10kHz～200MHz)：本要求適用于互連電纜，包括直流電源電纜在內(nèi)。CS114注入的是等幅波干擾，校準(zhǔn)波形最大0.1A，試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)電纜束上感應(yīng)的電磁能量是否會(huì)對(duì)設(shè)備造成干擾，因?yàn)榭臻g電磁波進(jìn)入設(shè)備的一個(gè)重要途徑就是電纜。當(dāng)按表4注入信號(hào)電流進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，EUT應(yīng)滿足性能級(jí)要求。

表4 CS114電纜束注入電流要求

電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度(CS115)：本要求適用于互連電纜。CS115所模擬的是設(shè)備使用平臺(tái)上的電感性負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的干擾，脈沖波形以30Hz重復(fù)。航天器DC-DC變換器電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度生存級(jí)要求為I=5A；性能級(jí)要求為I=0.5A。

電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導(dǎo)敏感度CS116（10kHz～100MHz）：本要求適用于互連電纜（包括電源線和單根電源導(dǎo)線），但無需單獨(dú)對(duì)電源回線進(jìn)行試驗(yàn)。CS116模擬了在受試設(shè)備上可能出現(xiàn)的衰減正弦波干擾，注入的衰減正弦波校準(zhǔn)波形的幅度最高達(dá)5A。電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導(dǎo)敏感度要求見表5。航天器DC-DC變換器電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導(dǎo)敏感度生存級(jí)要求為IMAX=5A；性能級(jí)要求為IMAX=0.5A。

表5 CS116電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導(dǎo)敏感度要求

2.5 靜電電弧放電敏感度試驗(yàn)(ESD)

本要求適用于初樣航天產(chǎn)品的殼體及所有互連電纜。當(dāng)按QJ2266-92要求一般采取間接放電±10kV的電壓值進(jìn)行試驗(yàn)。放電頻率為1次/秒，每點(diǎn)（面）30次。試驗(yàn)中EUT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。

3、航天器DC-DC變換器與EMC

航天器DC-DC變換器，按目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況可分為28V、42V和100V輸入電壓品種，輸出功率以30W為主。DC-DC變換器是以功率半導(dǎo)體開關(guān)器件為核心的高頻功率電子電路，通過半導(dǎo)體開關(guān)器件周期性通斷工作，控制開關(guān)元件的時(shí)間占空比來調(diào)整輸出電壓。脈寬調(diào)制器（PWM）的工作方式使得變換器不可避免的產(chǎn)生周期雜波，雜波的頻譜分布在開關(guān)頻率點(diǎn)和其高階諧波頻率點(diǎn)。如圖3所示，DC-DC變換器電磁干擾（EMI）包括輻射發(fā)射（RE）、傳導(dǎo)發(fā)射（CE）、輻射敏感度（RS）和傳導(dǎo)敏感度（CS）。

圖3 DC-DC變換器的干擾發(fā)射和敏感度示意圖