機載計算機電磁兼容性設計

楊寧

摘 要： 介紹了電磁兼容的定義、目的，設計步驟、試驗項目和要求，針對機載計算機電磁兼容的特點和工程實踐，提出解決機載計算機電磁兼容問題重點關(guān)注的四個方面，即電纜設計、機械結(jié)構(gòu)設計、電源濾波器設計和計算機電源接地和信號接地設計。通過總結(jié)機載計算機設計和電磁兼容試驗中出現(xiàn)的具體問題，從理論上分析問題產(chǎn)生的機理，提出切實可行的工程解決方法。最后強調(diào)該技術(shù)是試驗性的科學，解決方案必須通過電磁兼容試驗驗證。

關(guān)鍵詞： 電磁兼容； 傳導發(fā)射； 輻射發(fā)射； 浪涌； 靜電放電

中圖分類號： TN40?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0026?04

Abstract： EMC′s definition， purpose， design process， experimental content and demand are introduced in this paper. Four aspects （cable design， mechanical design， power filter design， and computer power ground and signal ground design） to achieve airborne computer EMC are proposed according to the characteristics and engineering practice of airborne computer EMC. By summarizing the issues appearing in airborne computer design and testing， the mechanism that the problems occured was analysed in theory. The practical engineering solutions are put forward. The solution must pass EMC test verification because the EMC technology is experimental science， the author stressed emphatically.

Keywords： electromagnetic compatibility； conducted emission； radiated emission； surge； electrostatic discharge

電磁兼容一般指電器及電子設備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境中的各種設備都能正常工作又互不干擾，達到“兼容”狀態(tài)。換句話說，電磁兼容是指電子線路、設備、系統(tǒng)相互不影響，從電磁角度具有相容性的狀態(tài)。電磁兼容性設計的目的是解決電路之間的相互干擾，防止電子設備產(chǎn)生過強的電磁發(fā)射及對外界干擾過度敏感等問題。隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，集計算、處理和通信功能于一體的機載計算機的電磁兼容問題越來越突出，電磁兼容設計已經(jīng)具有與產(chǎn)品功能設計同樣的重要性。電磁兼容性設計的優(yōu)劣是通過對產(chǎn)品進行電磁兼容性試驗來檢驗的。一般來說，電磁兼容性設計的工作步驟如圖1所示。

1 電磁兼容性試驗要求

機載計算機電磁兼容性試驗的內(nèi)容包括：

（1） 傳導發(fā)射（Conducte Emission）是沿電源線、控制線或信號線傳輸?shù)碾姶判盘栯娖降亩攘浚?/p>

（2） 輻射發(fā)射（Radiate Emission）是通過空間傳播的、有用的或不希望的電磁信號電平的度量；

（3） 傳導敏感度（Conducted Susceptibility）對造成設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)性能劣化或不希望有的響應所需的傳導干擾電平的度量；

（4） 輻射敏感度（Radiated Susceptibility）對造成設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)性能劣化或不希望有的響應所需輻射干擾電平的度量；

（5） 電快速脈沖群抗擾度（Electical Fast Transient）是由電路中的感性負載斷開時產(chǎn)生的一連串的電脈沖，它會在電路的輸入端產(chǎn)生累積效應，使干擾電平的幅度最終可能超過系統(tǒng)中電氣和電子設備的噪聲門限而產(chǎn)生錯誤的邏輯；

（6） 浪涌（Surge）是指由雷電在電纜上感應或大功率開關(guān)動作時在電纜上產(chǎn)生的電壓，其特點是持續(xù)時間短，功率大；

（7） 靜電放電（Electro Static Discharge）是兩個具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場感應引起兩物體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移。靜電電場的能量達到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)而進行放電的想象就是靜電放電[1]。

以上試驗項目總的分成兩類，一類是檢測被測產(chǎn)品（EUT）對其他產(chǎn)品或環(huán)境的電磁干擾水平；另一類是檢測EUT受到外部或環(huán)境的電磁干擾時正常工作的能力。EUT對外部的干擾或受干擾的途徑又分為直接耦合和空間耦合兩種途徑。對于機載計算機的電磁兼容設計必須根據(jù)機載環(huán)境的特點和干擾的特點，從電纜設計、結(jié)構(gòu)屏蔽設計、濾波器設計、印制板設計、接地設計等方面進行全面考慮。

2 電纜設計

機載計算機是用于處理信號和傳輸信息的，必然在計算機的機箱上有連接器和電纜，而電纜是效率很高的電磁波接收天線，空間的電磁干擾往往首先被電纜接收到，然后傳入到計算機中，造成電路的誤動作。電纜還是效率很高的電磁波輻射天線，當計算機被屏蔽起來后，電纜是產(chǎn)生電磁波輻射的主要原因。當機載計算機系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制要求時，特別是不能通過GJB151A標準中的RE102時，90%是電纜的原因。

電纜中的導線是平行的，而且平行走線距離最長，因此信號串擾是十分嚴重的，減小電纜中導線的串擾是電磁兼容設計中十分重要的內(nèi)容。另外，即使不是同一根電纜中的導線，相互串擾也往往十分嚴重，要通過適當?shù)脑O計來減小這些串擾[2]。

機載計算機的電纜設計中抑制措施主要有：

（1） 在進行計算機的連接器選型、電纜設計時，首先要根據(jù)信號的種類進行分類，比如電源線和大功率的直接用電源驅(qū)動的信號歸為一類，這類信號可以作在一根電纜中，如果有條件的話，最好將電源線單獨作一根電纜；緩慢變化的模擬量信號作一根電纜且需要屏蔽；通信信號安排在一個連接器中作一根電纜，但是每組通訊線需要單獨屏蔽，甚至是一組通訊接口中的發(fā)送和接收也需要分別屏蔽。通信速率為115.2 Kb/s的RS 422的接收線和發(fā)送線如果不單獨屏蔽而平行放置的話，完全可以在接收端收到自己發(fā)送出去的數(shù)據(jù)。

（2） 機載通信電路越來越多地使用差分電路進行收發(fā)數(shù)據(jù)，為了減小電路對外的電磁輻射強度，最好對每個差分電路的兩根線進行雙絞屏蔽，絞合能夠使電流流向相反的兩個線纜所產(chǎn)生的電場相互抵消，單位長度絞合次數(shù)越多則作用越大，絞合次數(shù)約為每米30次。

（3） 通過在電纜上套磁環(huán)可以抑制共模干擾，一般可以將電源線和對應的地線在磁環(huán)上繞幾匝，或者將差分信號的兩根線在磁環(huán)上繞幾匝，但不宜繞的匝數(shù)過多，否則由于線間的分布電容會使效果大打折扣[3]。

（4） 電纜屏蔽層的接地必須通過屏蔽層與金屬連接器外殼可靠接地。常用的MIL?DTL?38999系列連接器由于尾附件的結(jié)構(gòu)設計不是很完善，導致了在屏蔽層和尾附件搭接時，往往將屏蔽層做成一個辮子再壓在尾附件的螺絲下，這會導致在高頻下的接地效果不好，因為這段稱之為“pigtail”的結(jié)構(gòu)會形成比較大的阻抗，影響接地效果。目前國內(nèi)已有連接器廠家開發(fā)出可以對屏蔽電纜實現(xiàn)360°包裹的尾附件，大大提高屏蔽效果和接地效果。

3 結(jié)構(gòu)設計

抑制以場的形式造成干擾的有效方法是電磁屏蔽。所謂屏蔽就是以某種材料（導電或?qū)Т挪牧希┲瞥傻钠帘螝んw（實體的或非實體的）將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離，即其內(nèi)的電磁場不能越出這一區(qū)域，而外來的輻射電磁場不能進入這一區(qū)域（或者進出該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。電磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽體對電磁能流的反射、吸收和引導作用。電磁屏蔽又分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。對機載計算機來說，設計制作具有良好屏蔽效能的機箱和模塊殼體，是實現(xiàn)電磁屏蔽的關(guān)鍵。除了對付低頻磁場外，大部分金屬材料可以提供100 dB以上的屏蔽效能。但是要達到80 dB的屏蔽效能是十分困難的。因為機箱屏蔽效能不僅取決于屏蔽體材料，還取決于屏蔽體結(jié)構(gòu)，所有機箱表面都有孔縫，因此，必須仔細處理孔縫，防止通過孔縫泄露電磁干擾信號。一般需要在機箱蓋板和箱體之間加共模壓導電橡膠，見圖2。機箱蓋板的螺釘之間的距離需要滿足不大于干擾信號波長[4]的[12]。對于連接器和機箱之間的縫隙，可以用對高頻具有良好導電性的橡膠條實現(xiàn)密封，見圖3。有時候?qū)τ谟≈瓢迳嫌休^多晶振時或者有低頻干擾時，但從機箱方面處理比較難以解決問題，可以通過給模塊加裝殼體實現(xiàn)雙層屏蔽，往往能夠達到比較好的屏蔽效果。需要特別注意的是，所有屏蔽效果的實現(xiàn)都是依賴于屏蔽體的良好接地，因此，必須仔細處理機箱的接地，測試機箱的接地電阻符合機載設備相關(guān)標準要求。

4 濾波器設計

濾波技術(shù)是抑制電氣、電子設備傳導電磁干擾，提高電氣、電子設備傳導抗擾度水平的主要手段，也是保證設備整體或局部屏蔽效能的重要措施。濾波是壓縮信號回路騷擾頻譜的一種方法，當騷擾頻譜成分不同于有用信號的頻帶時，可以使用濾波器將無用的騷擾濾除。濾波器的作用是允許工作信號通過，而對非工作信號有很大衰減作用，使產(chǎn)生干擾的機會減為最小。

一般機載計算機使用的濾波器分為兩種，即電源濾波器和信號濾波器，都是低通濾波器。GJB151A中對機載計算機設備規(guī)定了涉及電源線的電磁兼容考核項目：

（1） 電源線傳導發(fā)射CE102：范圍10 kHz～10 MHz；

（2） 電源線傳導敏感度CS101：范圍25 Hz～50 kHz；

（3） 電纜束注入傳導敏感度CS114：范圍10 kHz～400 MHz；

（4） 電纜束注入脈沖激勵傳導敏感度CS115；

（5） 電纜和電源線阻尼正弦瞬變傳導敏感度CS116；

（6） 電源線尖峰信號傳導敏感度CS106。

上述6項涉及到傳導發(fā)射和傳導敏感度，一個好的濾波器設計能夠保證項目全部通過試驗，反之，沒有濾波器則很難通過這些試驗，濾波器對RE102輻射發(fā)射項目的通過也有很大益處。電源濾波器通常由電感、電容、共模電感元件構(gòu)成低通濾波器，其基本電路見圖4。

電源濾波器一般是由專門的廠家根據(jù)需求進行定制，市場上的通用濾波器一般很難滿足機載計算機對傳導發(fā)射的苛刻要求，對于應用工程師來說，只需要將自己的需求提供給廠家，即可進行定制。濾波器在安裝使用中需要注意以下幾點：

（1） 濾波器的安裝位置最好接近機箱上的電源連接器，盡量縮短濾波器與電源連接器之間的導線距離，要避免如圖5所示的濾波器安裝方式，為了達到更好的效果，也可以將電源連接器和濾波器制作在一起。

（2） 在裝配過程中，切不可將濾波器的輸入/輸出線綁扎在一起，以免電磁輻射干擾將輸入/輸出線直接耦合，將濾波器“短路掉”，要避免如圖6所示的濾波器安裝方式。

（3） 濾波器的效果很大程度上取決于接地的阻抗，濾波器的外殼即是圖4中的地，一般要將濾波器直接安裝在機箱壁上，兩者要接觸良好，盡量降低接地阻抗。

（4） 為了防止機箱內(nèi)的射頻輻射到濾波器的導線上，最好對導線進行屏蔽，并將屏蔽層接地。

5 接地設計

接地技術(shù)是電磁兼容技術(shù)中的一項重要技術(shù)，也是任何電子、電氣設備或系統(tǒng)正常工作時必須采取的重要技術(shù)。機載計算機絕大部分電磁兼容問題都和接地有關(guān)，甚至接地方式是否正確和合理直接影響到電磁兼容試驗的通過與否。任何導線都具有一定的阻抗，該阻抗使兩個不同的接地點很難得到等電位，這樣，公共阻抗使兩接地點間形成一定的電壓，從而產(chǎn)生接地干擾。接地分為：保護性接地和功能性接地。保護性接地又分為防電擊接地、防雷接地和防靜電接地。功能性接地又分為功率接地、邏輯接地和屏蔽接地[5]。功率性接地是為了保證電力系統(tǒng)正常運行，防止系統(tǒng)振蕩，保證繼電保護的可靠性，在交直流電力系統(tǒng)的適當?shù)胤竭M行接地，交流一般為中性點，在電子設備系統(tǒng)中，則稱除電子設備系統(tǒng)以外的交直流接地為功率地。邏輯接地是為了確保系統(tǒng)一個統(tǒng)一的參考點，將電子設備中所有或局部電路的參考點作為“邏輯地”或“0 V”地，規(guī)定這一點的電壓為0 V，電路中其他各點的電壓高低都是以這一參考點為基準的，電路圖中所標出的各點電壓數(shù)據(jù)都是相對于地線的大小。屏蔽接地是將干擾源引入大地，抑制外來電磁干擾對電子設備的影響，也可減少電子設備產(chǎn)生的干擾影響其他電子設備。電磁兼容性（EMC）測試的時候，這個接地點通常就是參考接地板。EMC范疇內(nèi)的接地屬于功能性接地。EMC范疇內(nèi)的良好接地，不僅僅是在原理上將產(chǎn)品中的某一點與大地相連，更重要的是在所關(guān)心或涉及的頻率范圍內(nèi)，保證產(chǎn)品與大地之間的阻抗符合相關(guān)規(guī)定，一般不超過2 000 μΩ，不致在該阻抗上引起大的壓降。在機載計算機中，一般有28 V供電電源地、28 V離散量信號地、數(shù)字電路地、模擬電路地、機箱搭鐵地，功率輸出地。根據(jù)相關(guān)標準規(guī)定，每個供電電源都要有電流的回線，對于機載計算機來說，28 V供電電源的地線必須單獨引線，不得用機箱搭鐵作為地線，一般在處理時也是單獨引一根地線，不與機箱連接。28 V離散量信號地根據(jù)情況可靈活處理，當輸入電路電流很小時，一般直接用28 V電源的地線，當有特殊需要時需要單獨引一根28 V信號地線。

數(shù)字電路地是機載計算機通過二次電源把28 V電源轉(zhuǎn)換為5 V，3.3 V，1.8 V，2.5 V等電源供給數(shù)字電路使用，因此，數(shù)字電路地線中有大量的高頻電流，如果不采取一定的措施，地線中的高頻電流會對模擬電路帶來一定的干擾，影響測量精度。為了抑制數(shù)字電路對模擬電路帶來的干擾，一般需要將數(shù)字電路與模擬電路分開布線，分開鋪設地層，減少相互影響，提升計算機的電磁兼容性設計，保障設備順利通過電磁兼容試驗。

模擬電路地是機載計算機通過二次電源把28 V電源轉(zhuǎn)換為15 V，-15 V電源供給模擬電路、運放等使用，往往會有混合電路芯片比如A/D轉(zhuǎn)換器是既有模擬電源，又有數(shù)字電源供電的，而且只有兩種電源共地后，芯片才能正常工作。一般的處理方法是如果印制板上只有一個混合電路芯片，則在該芯片下直接將芯片的數(shù)字地和模擬地管腳通過一根最短的印制板走線相連，即單點接地，以免形成地環(huán)路；如果印制板上有多于一個混合電路芯片，則在電源模塊處或母板上將數(shù)字電路和模擬電路單點接地。為了保證整個計算機的參考地是穩(wěn)定的，也為了保證機載計算機和別的機載設備電氣互聯(lián)是有統(tǒng)一的參考，需要將整個系統(tǒng)的地（數(shù)字地與模擬地）與機箱通過單點接地，機箱通過搭鐵線與飛機機體或大地可靠連接。這是機載計算機和別的機載設備能夠正常電氣連接和信號傳輸?shù)碾姎庖?。為了將外部的干擾阻擋在計算機外，機載計算機經(jīng)常需要將離散量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出與計算機內(nèi)部地隔離的要求。離散量輸入/輸出電路與計算機內(nèi)部電路隔離主要采用光電耦合器、繼電器、固態(tài)繼電器或者脈沖變壓器。模擬量輸入/輸出與計算機內(nèi)部電路隔離主要采用隔離運算放大器。

6 結(jié) 語

計算機電磁兼容性問題已經(jīng)形成了一門新的學科，它以電磁場理論為基礎，包括信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學科的邊緣學科，同時也是一門實踐性比較強的學科，需要產(chǎn)品工程師具有豐富的理論知識和實踐知識。本文所述的電磁兼容性設計方法是筆者在工作實踐中的總結(jié)，事實上，這些方法是否適合具體的某個計算機，必須具體問題具體分析，最終都要通過電磁兼容性試驗來驗證是否可行。

參考文獻

[1] 楊克俊.電磁兼容原理與設計技術(shù)[M].2版.北京：人民郵電出版社，2011.

[2] 錢振宇，史建華.電氣、電子產(chǎn)品的電磁兼容技術(shù)與設計實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3] 鄭軍奇.EMC（電磁兼容）設計與測試案例分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] 鄭軍奇.電子產(chǎn)品設計EMC風險評估[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] Mark I Montrose.電磁兼容和印刷電路板理論、設計和布線[M].劉元安，李書芳，高攸綱，譯.北京：人民郵電出版社，2003.

[6] 梁慧.計算電磁學在電磁兼容仿真中的應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（14）：99?102.

數(shù)字電路地是機載計算機通過二次電源把28 V電源轉(zhuǎn)換為5 V，3.3 V，1.8 V，2.5 V等電源供給數(shù)字電路使用，因此，數(shù)字電路地線中有大量的高頻電流，如果不采取一定的措施，地線中的高頻電流會對模擬電路帶來一定的干擾，影響測量精度。為了抑制數(shù)字電路對模擬電路帶來的干擾，一般需要將數(shù)字電路與模擬電路分開布線，分開鋪設地層，減少相互影響，提升計算機的電磁兼容性設計，保障設備順利通過電磁兼容試驗。

模擬電路地是機載計算機通過二次電源把28 V電源轉(zhuǎn)換為15 V，-15 V電源供給模擬電路、運放等使用，往往會有混合電路芯片比如A/D轉(zhuǎn)換器是既有模擬電源，又有數(shù)字電源供電的，而且只有兩種電源共地后，芯片才能正常工作。一般的處理方法是如果印制板上只有一個混合電路芯片，則在該芯片下直接將芯片的數(shù)字地和模擬地管腳通過一根最短的印制板走線相連，即單點接地，以免形成地環(huán)路；如果印制板上有多于一個混合電路芯片，則在電源模塊處或母板上將數(shù)字電路和模擬電路單點接地。為了保證整個計算機的參考地是穩(wěn)定的，也為了保證機載計算機和別的機載設備電氣互聯(lián)是有統(tǒng)一的參考，需要將整個系統(tǒng)的地（數(shù)字地與模擬地）與機箱通過單點接地，機箱通過搭鐵線與飛機機體或大地可靠連接。這是機載計算機和別的機載設備能夠正常電氣連接和信號傳輸?shù)碾姎庖?。為了將外部的干擾阻擋在計算機外，機載計算機經(jīng)常需要將離散量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出與計算機內(nèi)部地隔離的要求。離散量輸入/輸出電路與計算機內(nèi)部電路隔離主要采用光電耦合器、繼電器、固態(tài)繼電器或者脈沖變壓器。模擬量輸入/輸出與計算機內(nèi)部電路隔離主要采用隔離運算放大器。

6 結(jié) 語

計算機電磁兼容性問題已經(jīng)形成了一門新的學科，它以電磁場理論為基礎，包括信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學科的邊緣學科，同時也是一門實踐性比較強的學科，需要產(chǎn)品工程師具有豐富的理論知識和實踐知識。本文所述的電磁兼容性設計方法是筆者在工作實踐中的總結(jié)，事實上，這些方法是否適合具體的某個計算機，必須具體問題具體分析，最終都要通過電磁兼容性試驗來驗證是否可行。

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[5] Mark I Montrose.電磁兼容和印刷電路板理論、設計和布線[M].劉元安，李書芳，高攸綱，譯.北京：人民郵電出版社，2003.

[6] 梁慧.計算電磁學在電磁兼容仿真中的應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（14）：99?102.

數(shù)字電路地是機載計算機通過二次電源把28 V電源轉(zhuǎn)換為5 V，3.3 V，1.8 V，2.5 V等電源供給數(shù)字電路使用，因此，數(shù)字電路地線中有大量的高頻電流，如果不采取一定的措施，地線中的高頻電流會對模擬電路帶來一定的干擾，影響測量精度。為了抑制數(shù)字電路對模擬電路帶來的干擾，一般需要將數(shù)字電路與模擬電路分開布線，分開鋪設地層，減少相互影響，提升計算機的電磁兼容性設計，保障設備順利通過電磁兼容試驗。

模擬電路地是機載計算機通過二次電源把28 V電源轉(zhuǎn)換為15 V，-15 V電源供給模擬電路、運放等使用，往往會有混合電路芯片比如A/D轉(zhuǎn)換器是既有模擬電源，又有數(shù)字電源供電的，而且只有兩種電源共地后，芯片才能正常工作。一般的處理方法是如果印制板上只有一個混合電路芯片，則在該芯片下直接將芯片的數(shù)字地和模擬地管腳通過一根最短的印制板走線相連，即單點接地，以免形成地環(huán)路；如果印制板上有多于一個混合電路芯片，則在電源模塊處或母板上將數(shù)字電路和模擬電路單點接地。為了保證整個計算機的參考地是穩(wěn)定的，也為了保證機載計算機和別的機載設備電氣互聯(lián)是有統(tǒng)一的參考，需要將整個系統(tǒng)的地（數(shù)字地與模擬地）與機箱通過單點接地，機箱通過搭鐵線與飛機機體或大地可靠連接。這是機載計算機和別的機載設備能夠正常電氣連接和信號傳輸?shù)碾姎庖?。為了將外部的干擾阻擋在計算機外，機載計算機經(jīng)常需要將離散量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出與計算機內(nèi)部地隔離的要求。離散量輸入/輸出電路與計算機內(nèi)部電路隔離主要采用光電耦合器、繼電器、固態(tài)繼電器或者脈沖變壓器。模擬量輸入/輸出與計算機內(nèi)部電路隔離主要采用隔離運算放大器。

6 結(jié) 語

計算機電磁兼容性問題已經(jīng)形成了一門新的學科，它以電磁場理論為基礎，包括信息、電工、電子、通信、材料、結(jié)構(gòu)等學科的邊緣學科，同時也是一門實踐性比較強的學科，需要產(chǎn)品工程師具有豐富的理論知識和實踐知識。本文所述的電磁兼容性設計方法是筆者在工作實踐中的總結(jié)，事實上，這些方法是否適合具體的某個計算機，必須具體問題具體分析，最終都要通過電磁兼容性試驗來驗證是否可行。

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