航天器電子設(shè)備電磁兼容性設(shè)計

　　摘要：針對小衛(wèi)星平臺某電子設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境，給出了電磁兼容性(EMC)設(shè)計原則和具體方法，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、屏蔽設(shè)計、濾波設(shè)計及PCB板設(shè)計等，EMC試驗表明該設(shè)備電磁兼容設(shè)計合理，這對星載電子設(shè)備的電磁兼容設(shè)計有較高的參考價值。

　　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)備對體積，質(zhì)量和功耗的限制是十分苛刻的，而對產(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)嚴重，將導致系統(tǒng)失靈，甚至可能產(chǎn)生嚴重的故障，所以電磁兼容性是該設(shè)備的一項重要指標。

　　1 電磁兼容性與電磁干擾

　　電磁兼容性(EMC)是指電子設(shè)備在預期的電磁環(huán)境中能夠協(xié)調(diào)、有效地進行工作的能力。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個因素，即干擾源、受干擾對象(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，必須同時存在以上3個因素，在解決電磁兼容問題時，要從這3個因素入手，消除其中某一個因素，就能解決問題。對新研制的電子設(shè)備，應(yīng)該從設(shè)計開始階段就考慮電磁兼容，進行電磁兼容設(shè)計。在設(shè)計階段就考慮電磁兼容，遠比制作成型后再試圖滿足電磁兼容標準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)動模塊、磁力矩器驅(qū)動模塊、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)動等強干擾源信號，又有A/D和D/A輸入輸出小信號，同時還存在高速脈沖輸入信號，以及控制單元內(nèi)部的高速時鐘信號。因而設(shè)備內(nèi)部的電磁環(huán)境很復雜，電磁兼容性成為該設(shè)備的一項重要設(shè)計內(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

　　3.1 結(jié)構(gòu)與地線設(shè)計

　　本星載電子設(shè)備采用無線纜機箱結(jié)構(gòu)，相對傳統(tǒng)電纜結(jié)構(gòu)機箱，無線纜機箱能大大減少電磁干擾，這是因為80%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，同時也是干擾傳導的良好通道。如圖3所示，設(shè)備采用雙總線板結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)總線板實現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部各功能板之間的信號傳遞，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”實現(xiàn)內(nèi)部信號與設(shè)備外部信號之間的傳遞。

　　機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將強弱信號所在的線路板分開進行合理布局，易產(chǎn)生電磁干擾的線路板設(shè)置在機箱的上下側(cè)邊，使產(chǎn)生的干擾信號能通過機箱外殼釋放，數(shù)字等敏感信號處理線路板放置在機箱中部，二次電源模塊是主要的干擾源，由主備份兩塊線路板組成，正常工作時使用主份，所以將份板放在機箱最外側(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)生的干擾信號向機箱內(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)計時將數(shù)字地和模擬地分開布線，在設(shè)備內(nèi)進行單點連接，一次地與數(shù)字地和模擬地進行嚴格隔離，避免單機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)備強弱信號輸入輸出通道，為遏制和減小這些信號之間的干擾，將內(nèi)外總線板上的強弱信號按區(qū)域劃分，同時分割相應(yīng)的地層，由于地線層處處等電位，不會產(chǎn)生共模電阻耦合，也不會經(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)的信號通過，而將其他頻率信號加以抑制。它是減弱傳導干擾和輻射于擾最常用手段之一，特別是對瞬態(tài)干擾的抑制更有效。本星載電子設(shè)備的濾波設(shè)計主要是對DC/DC電源模塊濾波和對線路去耦電容濾波。

　　在DC/DC模塊的輸入濾波電路主要由一級∏濾波和兩級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)計印制電路板時，通過在電路上加去耦電容來滿足數(shù)字電路工作時要求的電源平穩(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的電源中取得電流。因此不會影響集成芯片的速度，同時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)計時在每個集成芯片的電源和地腳之間加一個0.01～0.1 μF去耦電容，有效去除信號線中的高頻噪聲。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。