某機(jī)載飛行控制器傳導(dǎo)敏感度分析與設(shè)計(jì)*

許　鳴　陳　旸

(南京模擬技術(shù)研究所　南京　210000)

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某機(jī)載飛行控制器傳導(dǎo)敏感度分析與設(shè)計(jì)*

許鳴陳旸

(南京模擬技術(shù)研究所南京210000)

摘要論文分析了傳導(dǎo)敏感度的機(jī)理,針對某機(jī)載飛行控制器電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件做了傳導(dǎo)敏感度方面的設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了電源濾波器、RS422串口、RS232串口、線纜的設(shè)計(jì)電路,最終滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。為機(jī)載設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞電磁兼容; 傳導(dǎo)敏感度; 濾波器; RS422; RS232; 線纜屏蔽

Conducted Susceptibility Analysis and Design for Airborne Controller

XU MingCHEN Yang

(Nanjing Research Institute on Simulation Technology, Nanjing210000)

AbstractIn this paper, the conducted susceptibility analysis and design for important electronic units in airborne controller was presented. The design for power line filter, RS422, RS232 and cable was described in detail. The airborne controller met the demand for GJB151A-97 and GJB152A-97. Moreover, it provided the reference for electromagnetic compatibility design of airborne equipment.

Key Wordselectromagnetic compatibility, conducted susceptibility, filter, RS422, RS232, cable shielding

Class NumberV240

1引言

隨著電氣電子技術(shù)在航空飛行器上的成熟應(yīng)用,飛行器所處的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。各類航空電子設(shè)備及分系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)與評估就顯得越來越重要。本文針對某型無人機(jī)機(jī)載飛行控制器電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件做了傳導(dǎo)敏感度方面的設(shè)計(jì),以滿足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。總結(jié)了電源線、信號線和核心電路板在傳導(dǎo)敏感度設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題,并給出了對應(yīng)的設(shè)計(jì)策略,力圖解決機(jī)載飛行控制器的電磁敏感問題[1～3]。

本文在某型機(jī)載飛行控制器設(shè)計(jì)階段,從傳導(dǎo)敏感度機(jī)理入手,分析干擾源、耦合路徑和敏感電路及器件,采取了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法和措施,以滿足GJB151A-97和GJB152A-97中“CS101 25Hz～50kHz電源線傳導(dǎo)敏感度”與“CS114 10kHz～400MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度”兩項(xiàng)測試,做到了設(shè)備自兼容和一定程度的抗擾度。為機(jī)載設(shè)備和分系統(tǒng)的電磁兼容性分析設(shè)計(jì)提供了實(shí)例參考。

2敏感度機(jī)理分析

2.1敏感度三要素

所有的電磁兼容敏感度問題產(chǎn)生需要同時(shí)具備三個(gè)條件,即敏感度三要素:電磁干擾源、耦合途徑(或傳輸通道)以及敏感設(shè)備,如圖1所示。電磁干擾源是指產(chǎn)生電磁干擾的任何元件、器件、設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象;耦合途徑(或傳輸通道)是指將電磁干擾能量傳輸?shù)绞芨蓴_設(shè)備的通道或媒介,包括線纜、空間等;敏感設(shè)備是指受到電磁干擾影響,或者說對電磁干擾發(fā)生響應(yīng)的設(shè)備[4]。

2.2干擾源

機(jī)載飛行器外部和內(nèi)部的干擾源會(huì)對其敏感電路和器件產(chǎn)生干擾,對設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。如圖2所示,飛行器外部的干擾源主要有:

圖1　敏感度三要素

圖2　飛行器外部的干擾源示意圖

1) 自然界的無線電噪聲:以銀河系為例,其頻段在20MHz～500MHz范圍內(nèi);

2) 雷電干擾:雷電現(xiàn)象發(fā)生在離地球表面15km～25km處,其頻率在1kHz～5MHz范圍內(nèi),放電峰值電流可達(dá)30kA,破壞能力極強(qiáng);

3) EMP:空間中釋放的強(qiáng)電磁脈沖(EMP)具有很寬的頻譜,耦合到敏感設(shè)備上的干擾很強(qiáng)。

機(jī)載飛行器內(nèi)部的干擾來自電源、感性負(fù)載、開關(guān)觸點(diǎn)等,易產(chǎn)生從音頻到百兆頻率的不同程度的干擾。這些內(nèi)部和外部的干擾,可以通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合的機(jī)理影響到敏感設(shè)備。前者通過線束耦合到設(shè)備的電源線、信號線、核心電路、顯示屏等重要部件,干擾信號疊加在有用信號上,使得高度集成、高度精確性、高度復(fù)雜性的電路部件出現(xiàn)敏感現(xiàn)象,例如電源轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓不穩(wěn)定,傳感器數(shù)據(jù)受干擾、舵機(jī)誤動(dòng)作、GPS定位錯(cuò)誤等問題,最終影響航空飛行器的使用。

2.3耦合路徑

電磁干擾敏感度的耦合路徑可以分為傳導(dǎo)耦合和輻射耦合兩種,如圖3所示。前者是干擾源與線纜存在電氣連接,把干擾源疊加在傳遞的電流信號上,從而影響敏感設(shè)備。國軍標(biāo)考核的CS101、CS114等就是用“直接注入”或“探頭注入”的方法,將干擾噪聲疊加在被測設(shè)備的電源線束、信號線束上,從而評估被測設(shè)備的傳導(dǎo)敏感度。

圖3　耦合路徑示意圖

2.4敏感部件

嚴(yán)酷的電磁環(huán)境,使得機(jī)載飛行控制器的各個(gè)部件都有可能成為敏感部件。如設(shè)備的電源模塊、串口通信、MCU核心電路、無線電臺(tái)通信、電機(jī)繼電器等。在傳導(dǎo)敏感噪聲源的干擾下,未考慮電磁兼容設(shè)計(jì)的部件或考慮不周全的部件都有可能出現(xiàn)敏感現(xiàn)象,如通信亂碼、程序跑飛、器件損壞等。所以在傳導(dǎo)敏感度設(shè)計(jì)中,周全的考慮會(huì)受到影響的敏感部件,選擇費(fèi)效比合適的設(shè)計(jì)方案,來解決設(shè)備的敏感度問題十分重要。

3傳導(dǎo)敏感度設(shè)計(jì)

3.1飛控控制器功能介紹

本文設(shè)計(jì)的機(jī)載飛行控制器由主飛控、備飛控和雙仲裁三個(gè)主要部件構(gòu)成,如圖4所示。主飛控和備飛控采集前級的信號參數(shù),匯集、判斷、計(jì)算,通過串口RS422/232通信,傳送到雙仲裁,雙仲裁通過預(yù)先設(shè)定好的算法和判據(jù)對兩個(gè)飛控的輸出做判斷,以監(jiān)測飛行器的各項(xiàng)指標(biāo),最終輸出到后級。作為整架飛行器的“大腦”,該機(jī)載飛行控制器的作用至關(guān)重要,也是電磁兼容設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的設(shè)備。本文從電源、串口通信和線纜三個(gè)部分做了傳導(dǎo)敏感度的設(shè)計(jì)。

圖4　機(jī)載飛行控制器功能示意圖

3.2電源設(shè)計(jì)

圖5　電源濾波器電路

電源端使用濾波器是最常見的設(shè)計(jì)方法。本文中飛控控制器的電源端的濾波器設(shè)計(jì)如圖5所示?？紤]傳導(dǎo)敏感度的干擾機(jī)理,選用了共模電感(LCM)、貼片電容(C1、C2、C3、C4)和磁珠(FB1、FB2)的拓?fù)浣M合。磁珠是一種鐵氧體器件,有很高的電阻率和磁導(dǎo)率,等效于電阻和電感串聯(lián),但電阻值和電感值都隨頻率變化[5]。相比普通的電感有更好的高頻濾波特性,在高頻時(shí)呈現(xiàn)阻性,所以能在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)保持較高的阻抗,從而提高調(diào)頻濾波效果。與傳統(tǒng)的電源濾波器相比,選用WE-742792097的磁珠串聯(lián)在濾波器輸出端,有助于解決電容濾波存在的“窄帶濾波”問題,抵抗線路上的高頻干擾。圖6表示無磁珠串聯(lián)時(shí)該款濾波器的插入損耗,再加上磁珠在高頻體現(xiàn)出的阻抗,大大增加了干擾噪聲的衰減。

圖6　濾波器的插入損耗

3.3信號串口設(shè)計(jì)

RS422和RS232都是典型的串口信號,其中RS422在正負(fù)電平之間變動(dòng),發(fā)送端與接收端通過雙絞線將AA、BB相對應(yīng)連接。RS422的傳輸信號共有四路,如圖7所示,Y、Z兩組發(fā)送,A、B兩組接收,可以同時(shí)發(fā)送和接收信號,還有地線,便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信。接收端A-B的差值大于-50mV定義為正邏輯電平,小于-200mV定義為負(fù)邏輯電平,弱信號的傳送過程中極易受到傳導(dǎo)敏感噪聲的干擾,影響接收端的邏輯判斷。故在RS422和RS232串口設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧過電壓保護(hù)和高頻噪聲這兩種的干擾[6]。

圖7　RS422信號原理圖

本文的飛行控制器選用了ADM 3076型的串口芯片。ADM 3076為3.3V低功耗數(shù)據(jù)收發(fā)器,適用于多點(diǎn)總線傳輸線路的全雙工和半雙工通信,符合TIA/EIA標(biāo)準(zhǔn)。還具有1/8單位負(fù)載接收器輸入阻抗,允許一條總線最多連接256個(gè)收發(fā)器。由于任一時(shí)間僅使能一個(gè)驅(qū)動(dòng)器,因此禁用或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器的輸出處于三態(tài),避免總線過載。接收器輸入具有真故障安全特性,無需外部偏置電阻;當(dāng)輸入開路或短路時(shí),可確保提供邏輯高輸出電平。

雖然ADM 3076芯片本身提供±15kV的ESD保護(hù)功能,但考慮到國軍標(biāo)CS101和CS114對傳導(dǎo)敏感度的要求[7],RS422芯片和RS232端口還采取了以下設(shè)計(jì)(未給出RS422和RS232功能性的設(shè)計(jì)電路),如圖8和圖9所示。

1) ADM 3076的供電引腳(VCC)增加并聯(lián)1nF的電容至GND;

2) ADM 3076的輸入引腳(A、B、DI)增加并聯(lián)1nF的電容至GND;

3) RS232串口的2#、3#端口并聯(lián)TVS(D1、D2)至GND,以對EMP干擾做出快速反應(yīng);

4) RS232串口的2#、3#端口串聯(lián)磁珠(FB1、FB2),以應(yīng)對耦合的高頻噪聲。

圖8　ADM 3076設(shè)計(jì)電路

圖9　RS232端口設(shè)計(jì)電路

3.4線纜選用

接口的設(shè)計(jì)除了電路板上的芯片做抗干擾處理,還要選用帶濾波功能的連接器,如航空連接器,其內(nèi)部有小孔徑磁珠。必須要保證濾波連接器良好的接地性能,其金屬外殼應(yīng)與機(jī)殼保持良好的電連續(xù)性。采用360°環(huán)接,連接阻抗要小于1mΩ[8]。

機(jī)箱外部的所有連接電纜采用金屬編織網(wǎng)屏蔽線纜,編織密度大于95%。這樣具有屏蔽層的線纜,在傳輸高頻信號(>100kHz)時(shí),屏蔽層應(yīng)雙點(diǎn)或多點(diǎn)接地;如頻率>1MHz或者線纜長度>0.05λ(λ為信號線中最高頻率對應(yīng)的波長),由于集膚效應(yīng),使得干擾噪聲電流只在屏蔽層外表面通過,屏蔽層應(yīng)采用多點(diǎn)接地,每隔(0.05～0.1)λ距離接一次地。本設(shè)備外部線纜的屏蔽層采用的是多點(diǎn)接地,接口與線纜的設(shè)計(jì)效果如圖10所示。

4測試評估

4.1測試評估方法

依據(jù)GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行測試,來評估該機(jī)載飛行控制器傳導(dǎo)敏感度設(shè)計(jì)的有效程度。飛行控制器在注入規(guī)定電平的電磁發(fā)射情況下,未出現(xiàn)性能下降或故障,則為合格,否則為不合格。

本文的機(jī)載飛行控制器的測試評估要求如表1所示。

表1　測試評估要求

CS101是測量直接施加在被測設(shè)備電源線上的連續(xù)波敏感度,如圖11(a)所示,主要考核的是電源高次諧波,通常是七次以上的傳導(dǎo)敏感度。而CS114用于檢驗(yàn)被測設(shè)備承受出現(xiàn)在互連電纜上的射頻干擾信號的能力,如圖11(b)所示,采用的是調(diào)制信號,占空比50%、頻率1kHz方波進(jìn)行調(diào)頻調(diào)制,借助電流探頭,將干擾信號耦合到受試線纜上,電源線和信號線都是CS114考核的對象[9～10]。

圖11　測試評估方法

4.2測試評估結(jié)果

表2表示了測試評估的結(jié)果,可以看出,僅考慮電源設(shè)計(jì)時(shí)只有CS101項(xiàng)目合格,主要通過線束“探頭耦合”的CS114依然影響到設(shè)備的正常工作。采用電源、串口、線纜設(shè)計(jì)后,電源線和信號線均通過了CS101和CS114,達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期。

表2　測試評估結(jié)果

5結(jié)語

針對機(jī)載飛行控制器使用的特點(diǎn),本文在功能性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了傳導(dǎo)敏感度分析與設(shè)計(jì)。給出了改進(jìn)后的電源濾波器、RS232、PCB芯片和線纜的設(shè)計(jì)電路或原理圖。最后通過了GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114兩個(gè)項(xiàng)目最為嚴(yán)酷的測試,達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目的,也為其他方面的電磁兼容設(shè)計(jì)提供了參考。

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中圖分類號V240

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.012

作者簡介:許鳴,男,碩士,高級工程師,研究方向:電磁兼容、通信網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)測控。陳旸,男,碩士,助理工程師,研究方向:電磁兼容。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年8月27日