某星載電子設(shè)備電磁干擾問題分析與探討

張興國 周新發(fā) 江耿豐 董暘暘 田宇斌

北京控制工程研究所 ,北京 100190

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某星載電子設(shè)備電磁干擾問題分析與探討

張興國 周新發(fā) 江耿豐 董暘暘 田宇斌

北京控制工程研究所 ,北京 100190

隨著航天電子產(chǎn)品的功能日趨復(fù)雜，產(chǎn)品的電磁兼容問題也越來越突出，對電磁兼容必須嚴(yán)格設(shè)計(jì)。本文介紹了某星載電子設(shè)備在系統(tǒng)測試中出現(xiàn)的一例電磁干擾問題，分析了問題原因并提出解決方法，這對同類電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

星載電子設(shè)備;電磁干擾(EMI);系統(tǒng)復(fù)位

電子設(shè)備的電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)，主要是指電子設(shè)備在其所處的電磁環(huán)境中按設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行的能力，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾(Electromagnetic interference，EMI)，即信號與干擾共存的能力。滿足EMC要求的電子設(shè)備既不會影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行，也不會受其它設(shè)備工作的影響而出現(xiàn)性能下降或故障。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品功能日益強(qiáng)大，設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，體積、質(zhì)量及功耗都不斷下降。航天器電子產(chǎn)品對體積，質(zhì)量和功耗的限制十分苛刻，而對產(chǎn)品高性能的追求不斷提高，這就使得航天電子產(chǎn)品的功能日趨復(fù)雜，安裝密度越來越高，使產(chǎn)品內(nèi)部及產(chǎn)品間的EMC問題變得十分突出。EMC設(shè)計(jì)的重要性越來越明顯，加強(qiáng)對產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)已成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

某星載電子設(shè)備是適應(yīng)衛(wèi)星小型化、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，信號電纜傳輸線密集，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 某星載電子設(shè)備組成

某星載電子設(shè)備組成如圖1所示，包括DC/DC模塊、敏感器數(shù)據(jù)采集單元、處理器單元(包括CPU板和局部控制單元)、部件供配電模塊、功放驅(qū)動輸出模塊等。敏感器數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集衛(wèi)星各敏感器測量部件的信息并送處理器單元，處理器單元對敏感器數(shù)據(jù)集中處理，控制衛(wèi)星執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作并對各部件供配電進(jìn)行控制。

設(shè)備由各功能線路板組成，機(jī)箱內(nèi)線路板之間的信號通過一塊總線板實(shí)現(xiàn)互連，而各線路板對外的輸入輸出信號通過電纜導(dǎo)線連接到機(jī)箱外接插件，受小型化空間限制，設(shè)備內(nèi)外連接的電纜導(dǎo)線被捆扎在一個(gè)電纜束里，如圖2所示。

圖1 某星載電子設(shè)備組成

圖2 某星載電子設(shè)備組成

2 EMC問題介紹

本星載電子設(shè)備已成功應(yīng)用于多顆衛(wèi)星，功能性能一直滿足要求，近年來在某型號系統(tǒng)測試時(shí)，當(dāng)設(shè)備為星敏感器(28V)加電后，發(fā)出動量輪加電(28V)指令時(shí)，處理器模塊出現(xiàn)CPU系統(tǒng)(硬件)復(fù)位，多次試驗(yàn)并更換CPU板都出現(xiàn)該問題。復(fù)位電路原理框圖見圖3所示，CPU板處理器為TSC695F，其復(fù)位源包括：上電復(fù)位、地面(遙控)復(fù)位和看門狗復(fù)位。在設(shè)計(jì)時(shí)為實(shí)現(xiàn)“線或”功能和防止串電，采用了較多的二極管用于隔離各路復(fù)位通道。

CPU發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位的直接原因是處理器TSC695F的SYSRESET*管腳收到了有效的低電平信號。而按照TSC695F處理器手冊的說明，只要SYSRESET*的低電平寬度超過4個(gè)時(shí)鐘周期(CPU板為400ns)就能導(dǎo)致處理器有效復(fù)位。而通過試驗(yàn)測得處理器的SYSRESET*管腳在負(fù)脈沖寬度為40ns的時(shí)候，CPU有很大的概率實(shí)現(xiàn)正常復(fù)位。

圖3 復(fù)位電路圖

CPU發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位時(shí)的復(fù)位端波形，如圖4所示，由多個(gè)連續(xù)的高頻負(fù)脈沖組成，且脈寬>400ns，足以使CPU芯片發(fā)生復(fù)位。復(fù)位線路顯然是接受到高頻干擾信號導(dǎo)致錯(cuò)誤復(fù)位信號。

圖4 CPU芯片復(fù)位端波形

3 EMC問題分析

電子產(chǎn)品內(nèi)部EMC問題，目前還沒有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及測試方法，這類問題在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)中大部分會得到解決，但有些EMC設(shè)計(jì)缺陷僅在某些特定條件下才表現(xiàn)出來，或出現(xiàn)的概率極小。

構(gòu)成電磁干擾必須具備3個(gè)要素，即干擾源、受干擾對象(敏感部位)及兩者間耦合路徑。電磁干擾的基本模型就是這3個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)，如圖5所示。

圖5 電磁干擾基本模型

解決和降低電磁干擾必須從上述3要素著手，抑制干擾源，切斷耦合路徑和保護(hù)敏感設(shè)備。

本次發(fā)生的CPU復(fù)位問題是一個(gè)典型的EMC問題，系統(tǒng)中同時(shí)存在干擾源、傳播途徑和敏感點(diǎn)，電磁干擾信號由干擾源出發(fā)，經(jīng)由傳播路徑到達(dá)敏感點(diǎn)產(chǎn)生干擾，干擾源、傳播途徑和敏感部位作為電磁干擾3要素，只有同時(shí)具備這3者才會出現(xiàn)EMC問題。因此，對這一故障的原因分析從干擾源、傳播路徑和敏感部位3方面進(jìn)行。

1) 干擾源

設(shè)備在給動量輪加電的瞬間，供電線路上會出現(xiàn)一個(gè)大小15A左右的浪涌電流，并且該浪涌電流的變化率di/dt達(dá)到了106這一數(shù)量級。當(dāng)為動量輪供電的繼電器閉合時(shí)，由于繼電器本身的特性，其觸點(diǎn)會發(fā)生彈跳和拉弧現(xiàn)象，繼電器觸點(diǎn)的彈跳會導(dǎo)致28V電源母線上出現(xiàn)一連串尖峰脈沖，而拉弧現(xiàn)象則會產(chǎn)生電火花，這種電火花所產(chǎn)生的電磁輻射是一種全頻段的電磁干擾信號，會通過繼電器機(jī)殼向空間進(jìn)行輻射。

通過上述分析，本問題的干擾源為一種瞬態(tài)干擾(時(shí)間很短，但幅度較大的電磁干擾)，且包括了電快速脈沖(EFT)和浪涌(SURGE)兩種形式。動量輪加電所產(chǎn)生的浪涌電流在通過繼電器時(shí)，繼電器觸點(diǎn)跳動所產(chǎn)生的干擾和拉弧所形成的電磁輻射共同構(gòu)成了干擾源，而動量輪加電時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電流是干擾信號主要的能量來源。

2) 傳播途徑(耦合路徑)

耦合路徑是指部分或全部電磁能量從規(guī)定源傳輸?shù)搅硪浑娐坊蜓b置所經(jīng)由的路徑。而電子設(shè)備內(nèi)部常見的傳播路徑有空間輻射耦合和導(dǎo)線間傳導(dǎo)耦合。動量輪干擾信號的直接傳播路徑是28V電源母線和地，而受擾的CPU復(fù)位電路則是由二次電源產(chǎn)生的5V網(wǎng)絡(luò)，這2個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)之間并不存在直接通路。

設(shè)備內(nèi)部線路板與外接插件之間的導(dǎo)線連接在機(jī)箱內(nèi)部是綁扎在一起，線纜束中不僅有28V供電線及其回線，還包括了二次電源的供電線及其回線與大量信號線纜，這些線纜之間相互綁扎在一起極易產(chǎn)生干擾信號的耦合。

對于干擾信號而言，其傳播路徑主要依靠的是導(dǎo)線間廣泛存在的分布電容和分布電感，因此，可以將干擾信號的傳播路徑簡化為如圖6所示的電路。

圖6 干擾傳播路徑模型

圖中C1是28V電源母線對地(機(jī)殼)的等效電容，L是系統(tǒng)中各種線纜對地的等效電感，C2則是5V信號網(wǎng)絡(luò)對地(機(jī)殼)的等效電容，R為這一等效電路的輸出阻抗。

干擾信號從動量輪和繼電器出發(fā)，進(jìn)入28V母線，由于干擾信號的di/dt很大,因此會在電容C上產(chǎn)生很大的dv/dt，進(jìn)而在電容后端感應(yīng)出相應(yīng)的干擾。線纜與地之間存在電感L，電路與地之間存在電阻R，干擾信號無法得到有效泄放就會只能通過沿該路徑向用戶電路傳播，當(dāng)用戶電路對干擾信號抵抗能力較弱時(shí)，就會受到干擾。

3) 敏感部位

敏感部位是指容易受到電磁干擾影響，并能產(chǎn)生不可避免性能降級的線路部位。對于本次發(fā)生的CPU復(fù)位故障，其敏感部位為復(fù)位電路，原因1：在檢查CPU復(fù)位信號SYSRESET*走線時(shí)，發(fā)現(xiàn)從上一級54AC14輸出(上拉10K電阻)到CPU復(fù)位輸入端的印制導(dǎo)線長度為150mm，對于40ns脈寬即可能響應(yīng)的SYSRESET*信號，150mm的印制板走線構(gòu)成了一個(gè)很大的回路面積，使得回路信號對外界很敏感。原因2：復(fù)位電路中存在3處對電源阻抗較高的點(diǎn)：①上拉100K電阻；②下拉30K；③上拉10K電阻，當(dāng)干擾信號進(jìn)入這些點(diǎn)，由于沒有低阻釋放回路，所受干擾信號會沿復(fù)位電路放大和傳播，最后進(jìn)入CPU處理器的SYSRESET*管腳，造成處理器發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位。

4 解決措施

EMC問題是一個(gè)由干擾源、傳播途徑和敏感點(diǎn)3要素所共同構(gòu)成的復(fù)雜問題，當(dāng)3要素中的任何一個(gè)缺失時(shí)，EMC問題都不會發(fā)生。正是基于這一點(diǎn)，通過修改復(fù)位電路增強(qiáng)其抗干擾能力，消除干擾信號對其影響，這也是最行之有效和快速的解決辦法。動量輪作為干擾源屬于外部環(huán)境，而構(gòu)成傳播路徑的機(jī)箱電纜布線，短時(shí)間內(nèi)也是無法更動和驗(yàn)證。

根據(jù)CPU發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位時(shí)的復(fù)位波形來看，干擾信號的頻率很高，因此,可以采用高頻接地的方法在不破壞原有電路對地連接方式的前提下為干擾信號建立釋放通路，同時(shí)將復(fù)位電路中2個(gè)敏感器點(diǎn)的對電源阻抗較大的電阻阻值降低，健壯了復(fù)位電路。更改后的電路如圖7所示：將第一級門輸入的100kΩ上拉電阻調(diào)整為10kΩ，對地增加1個(gè)200pF電容，實(shí)行高頻接地，將第二級門輸入的30kΩ下拉電阻調(diào)整為5.1kΩ，對地也增加1個(gè)200pF電容，同時(shí)還更改CPU復(fù)位輸入端阻抗，將上拉電阻阻值由10kΩ改到1kΩ。

圖7 更改后的復(fù)位電路圖

復(fù)位電路更改后，在系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行多次測試試驗(yàn)，CPU沒有再發(fā)生系統(tǒng)復(fù)位故障，通過測量CPU處理器復(fù)位端波形，如圖8所示，干擾信號幅度很小，其影響可忽略，證明采取的措施是有效的。測量電源VCC(+5V)波形，如圖9所示，VCC幅值波動微小，保證了整機(jī)可靠工作。

圖8 更改后測得的復(fù)位端波形

圖9 動量輪加電時(shí)VCC(+5V)波形

5 結(jié)論

星載電子設(shè)備由于其復(fù)雜的組成和使用環(huán)境，電磁干擾產(chǎn)生的因素以及傳遞途徑十分復(fù)雜。因此，各種措施的有效性也隨之而異，指望一種既簡單又萬能的方法是不現(xiàn)實(shí)的。需要在開始設(shè)計(jì)時(shí)就著手考慮電磁兼容設(shè)計(jì)，并始終貫穿在元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、電纜布線和屏蔽接地等方面。本文結(jié)合電磁干擾3要素，對某星載電子設(shè)備電磁干擾問題進(jìn)行分析和探討，其分析思路對其它星載電子設(shè)備EMC設(shè)計(jì)也具有參考價(jià)值。

[1] 王志成.星載電子設(shè)備電磁兼容接地設(shè)計(jì)[J].無線電工程, 2010,40(11)：49-51.(Wang Z C.GND Design for Spacebore Electronic Equipment in EMC [J].Radio Engineering, 2010,40(11)：49-51.)

[2] 梁瑞麟.艦船電子設(shè)備的電磁兼容性技術(shù)實(shí)踐[J].艦船電子對抗,2004,27(6)：43-46.(Liang R L. Electromagnetic Compatibility Technology Practice of Ship-bore Electronic Equipment [J]. Shipboard Electronic Counermeasure, 2004,27(6)：43-46.)

[3] 鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測試案例分析(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

The Analysis and Discussion on Electromagnetic Interference of Satellite-borne Electronic Equipment

ZHANG Xingguo ZHOU Xinfa JIANG Gengfeng DONG Yangyang TIAN Yubin

Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190，China

Withtheincreasingcomplexityofaerospaceelectronicproduct,theelectromagneticcompatibility(EMC)problemsoftheproductaremoreandmoreserious.Thus,thedesignoftheEMCmustbestrictlyresearched.Inthispaper,thedesignfeatureofelectromagneticinterference(EMI)ofelectronicequipmentsonboardcertainsatelliteisintroduced.ForanEMIproblemofproductappearinginthesystemtest,thereasonandproposedthesolutionisintroduced.Meanwhile,newdiscussionsontheEMCdesignofthisequipmentareinvolved,whichalsohavereferencevalueforotherequipments.

Electronicequipmentonboardsatellite;Electromagneticinterference(EMI);Systemreset

2013-05-16

張興國(1978-)，男，江蘇灌云人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)；周新發(fā)(1974-)，男，廣西灌陽人，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)及測試；江耿豐(1982-)，男，浙江溫嶺人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)和容錯(cuò)技術(shù)；董暘暘(1985-)，男，四川雅安人，工程師, 主要研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)；田宇斌(1983-)，男，山西榆社人，工程師, 主要研究方向?yàn)樾禽d計(jì)算機(jī)及可靠性設(shè)計(jì)。

1006-3242(2014)04-0086-05

TP338.8

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