濾波電路的電磁脈沖防護(hù)效應(yīng)研究

趙 展，尚逸帆，趙啟龍，韓 瀟，金小萍

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品集成度越來越高，航天器所處的電磁環(huán)境亦更加復(fù)雜。一旦電磁脈沖干擾導(dǎo)致處理電路的邏輯錯(cuò)誤，相關(guān)電路功能就可能部分或全部失效，這將對航天器的通訊和控制等電氣系統(tǒng)產(chǎn)生致命影響，因此電路的電磁防護(hù)能力至關(guān)重要[1-3]。

1 濾波電路的防護(hù)原理

要探討防護(hù)濾波電路對電磁脈沖的抑制與防護(hù)原理，可借用“大禹治水”的基本理念來理解問題，從本質(zhì)上來說就是“疏”與“堵”的理念。在電磁脈沖防護(hù)濾波電路中，電容、TVS 器件起到的是對干擾的疏導(dǎo)作用；磁珠、共模電感起到的是阻塞與抑制作用[4-6]。

1.1 互容耦合方式濾波機(jī)理分析

互容與互感是2 個(gè)電路相互之間的2 種常見耦合方式。由于電容實(shí)際是由2 個(gè)導(dǎo)體構(gòu)成，因此2 根導(dǎo)線就構(gòu)成了一個(gè)電容，稱這個(gè)電容是導(dǎo)線之間的寄生電容。 由于這個(gè)電容的存在，一個(gè)導(dǎo)線中的能量能夠耦合到另一個(gè)導(dǎo)線上，這種相互之間的耦合稱為電容耦合或電場耦合。

現(xiàn)在假設(shè)如下場景的電容性耦合，如圖1(a)所示：電路1 為騷擾源電路，電路2 為敏感電路，C 為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2 間的分布電容。

對于容性耦合特性，其電路可等效為如圖1(b)所示的并聯(lián)電流源注入模型，電流源模型屬于源阻抗為高阻的耦合模型，防護(hù)濾波設(shè)計(jì)的目的是降低U2的耦合電壓值。

假設(shè)電流源的注入電流值是一定的，應(yīng)用基礎(chǔ)的電路理論知識(shí)，此時(shí)可以采用相應(yīng)的濾波電路形式來達(dá)成降低U2耦合電壓值的目的，如圖2 所示。

圖1 互容耦合的等效電流源電路

圖2 互容耦合的濾波電路原理分析

在源電流一定、RG2負(fù)載阻抗值一定的條件下，U2的大小取決于流過其上面的電流值。在沒有濾波電路時(shí)，該電流值取決于RG2與RL2的比值大小，當(dāng)在2個(gè)阻抗之間插入濾波電路之后，如果Zf遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RL2，且在特定干擾頻率的阻抗條件下，Cf的阻抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于RG2，那么就可以獲得非常低的U2值，濾波電路達(dá)到預(yù)期目的。

1.2 互感耦合方式濾波機(jī)理分析

當(dāng)一根導(dǎo)線上的電流發(fā)生變化，而引起周圍的磁場發(fā)生變化時(shí)，恰好另一根導(dǎo)線在這個(gè)變化的磁場中，則這根導(dǎo)線上就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢。 于是一根導(dǎo)線上的信號(hào)就耦合進(jìn)了另一根導(dǎo)線，這種耦合稱為電感性耦合或磁耦合?；ジ行择詈弦卜Q為磁耦合，它是由磁場的作用所引起的，互感耦合的原理圖如圖3（a）所示，等效電路圖如圖3（b）所示，根據(jù)電路的感應(yīng)電動(dòng)勢規(guī)則，可獲得被耦合電路的感應(yīng)電壓值UN=jωMI1。

圖3 互感耦合的等效電路

此時(shí)可以采用相應(yīng)的濾波電路形式來降低R 上的U 值，如圖4 所示。

對于電壓源耦合模型，噪聲在耦合回路上同樣需要滿足基本的電路定律——基爾霍夫定律。此時(shí)的目的是降低R 上的U 值，只需要在回路上串聯(lián)等效阻抗Zf，當(dāng)Zf遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于R 時(shí)，耦 合電壓源UN在R 上的 影響就可以最小化。

在無法滿足Zf遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R 的條件下，可以嘗試在特定的頻率下，使得ZC遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R2的值，此時(shí)也可以同樣達(dá)到電路濾波的設(shè)計(jì)目的。

圖4 互感耦合的濾波電路原理分析

2 常用信號(hào)接口的濾波解決方案

根據(jù)上文機(jī)理分析，給出航天常用RS422、LVDS、CAN、OC 門開關(guān)模擬量幾種信號(hào)接口的濾波電路，電路可以滿足國軍標(biāo)GJB 152 的相關(guān)測試驗(yàn)證要求，參數(shù)選擇都考慮到各種接口的傳輸特點(diǎn)，對信號(hào)傳輸質(zhì)量無影響。

2.1 RS422 防護(hù)濾波電路設(shè)計(jì)

1）濾波電路實(shí)現(xiàn)形式，如圖5所示。

圖5 RS 422 防護(hù)濾波電路示意圖

2）參數(shù)說明：共模電感型號(hào)為510YT，對地電容值為33 pF，TVS 管BV05C。

3）電路差損仿真，如圖6 所示。

圖6 RS 422 濾波電路插損值仿真

2.2 LVDS 防護(hù)濾波電路設(shè)計(jì)

1）濾波電路實(shí)現(xiàn)形式,如圖7所示。

2）參數(shù)說明：屬于高速信號(hào)，單用120 Ω 的共模電感。

圖7 LVDS 防護(hù)濾波電路示意圖

3）電路插損仿真,如圖8 所示。

圖8 LVDS 濾波電路插損值仿真

2.3 CAN 接口防護(hù)濾波電路設(shè)計(jì)

1）濾波電路實(shí)現(xiàn)形式,如圖9 所示。

圖9 CAN 接口防護(hù)濾波電路示意圖

2）參數(shù)說明：共模電感型號(hào)為510YT，對地電容值為33 pF。

3）電路插損仿真,如圖10 所示。

圖10 CAN 接口濾波電路插損值仿真

2.4 OC 門開關(guān)模擬量電路防護(hù)濾波設(shè)計(jì)

1）濾波電路實(shí)現(xiàn)形式，如圖11 所示。

2）參數(shù)說明：對地電容10 nF，磁珠900 Ω。

圖11 OC 門開關(guān)防護(hù)濾波電路示意圖

3）電路插損仿真,如圖12 所示。

圖12 OC 門濾波電路插損值仿真

3 濾波電路解決方案驗(yàn)證測試

3.1 ESD 測試試驗(yàn)

針對ESD 測試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

表1 ESD 測試參數(shù)

ESD 測試試驗(yàn)布置如圖13—14 所示。

圖13 ESD 靜電放電抗擾度測試布置圖

3.2 輻射敏感度測試試驗(yàn)

針對輻射敏感度測試參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,如表2所示。

圖14 ESD 測試實(shí)物現(xiàn)場布置圖

表2 輻射敏感度測試參數(shù)

輻射敏感度測試試驗(yàn)布置如圖15—16 所示。

圖15 輻射敏感度項(xiàng)目測試布置圖

圖16 測試實(shí)物現(xiàn)場布置圖

3.3 濾波電路試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

3.3.1 ESD 耦合方式測試數(shù)據(jù)記錄

1）RS422 通訊測試記錄,如表3 所示。

2）LVDS 通訊測試記錄,如表4所示。

表3 RS422 測試數(shù)據(jù)

表4 LVDS 測試數(shù)據(jù)

3）CAN 通訊測試記錄,如表5所示。

表5 CAN 通訊線纜測試數(shù)據(jù)

4）OC 門測試記錄,如表6 所示。

表6 OC 門線纜測試數(shù)據(jù)

5）模擬量測試記錄，如表7所示。

表7 模擬量線纜測試數(shù)據(jù)

3.3.2 輻射敏感度耦合方式測試數(shù)據(jù)記錄

分別針對CAN 總線、LVDS、RS 422、OC 門、AD數(shù)據(jù)采集進(jìn)行輻射敏感度耦合測試，測試場強(qiáng)分為30 V/m、50 V/m 和100 V/m，測 試 頻 率 覆 蓋80～1 000 MHz。

1）測試場強(qiáng)30 V/m,如表8 所示。

表8 測試場強(qiáng)30 V/m

2）測試場強(qiáng)50 V/m,如表9 所示。

表9 測試場強(qiáng)50 V/m

3）測試場強(qiáng)100 V/m，如表10 所示。

3.4 濾波電路+屏蔽試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

根據(jù)上述測試結(jié)果，使用濾波電路能夠?qū)﹄姶琶}沖起到較好的抑制作用，但仍有少許誤碼現(xiàn)象存在，因此在濾波電路基礎(chǔ)上增加屏蔽線纜雙重防護(hù)措施后進(jìn)一步測試。

3.4.1 濾波板+屏蔽線ESD 測試數(shù)據(jù)

采用濾波板+屏蔽線措施，分別針對RS422、LVDS、CAN、OC 門、模擬量進(jìn)行ESD 測試。

1）RS422 通訊測試記錄,如表11 所示。

表10 測試場強(qiáng)100 V/m

表11 RS422 通訊測試數(shù)據(jù)

2）LVDS 通訊測試記錄,如表12 所示。

表12 LVDS 通訊測試數(shù)據(jù)

3）CAN 通訊測試記錄,如表13 所示。

表13 CAN 通訊測試數(shù)據(jù)

4）OC 門測試記錄,如表14 所示。

表14 OC 門測試數(shù)據(jù)

5）模擬量測試記錄，如表15 所示。

表15 模擬量測試數(shù)據(jù)

3.4.2 濾波板+屏蔽線輻射敏感度測試據(jù)

采用濾波板+屏蔽線措施，在30 V/m、50 V/m、100 V/m 條件下，分別針對RS422、LVDS、CAN、OC門、AD 數(shù)據(jù)采集進(jìn)行輻射敏感度測試,如表16 所示。

表16 濾波板+屏蔽線輻射敏感度測試數(shù)據(jù)

3.5 測試結(jié)果分析

1）對比無濾波電路測試數(shù)據(jù)，增加防護(hù)濾波電路后，對電磁脈沖干擾有較好的防護(hù)作用；

2）對比濾波單獨(dú)防護(hù)方式的測試數(shù)據(jù)，采用濾波和屏蔽線雙重措施后，測試結(jié)果進(jìn)一步改善，而且LVDS 和CAN 總線使用屏蔽線+濾波的效果要明顯優(yōu)于單獨(dú)使用濾波一種措施；

3）LVDS 屬于系統(tǒng)中的高敏感信號(hào)，設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮濾波防護(hù)措施；

4）在航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮LVDS 信號(hào)的系統(tǒng)信號(hào)走線的布局設(shè)計(jì)，盡量避免與強(qiáng)干擾信號(hào)出現(xiàn)互容、互感耦合；

5）建議航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在關(guān)鍵信號(hào)接口上屏蔽線+接口防護(hù)濾波方案同時(shí)使用，可以在很大程度上提升該信號(hào)接口電路的電磁脈沖抗干擾能力。

4 結(jié)束語

本文分析了濾波電路的耦合防護(hù)機(jī)理，并給出了常用信號(hào)接口的防護(hù)濾波電路。常用信號(hào)的ESD 電磁脈沖耦合測試和輻射敏感度耦合測試，表明如LVDS 等高敏感信號(hào)受電磁脈沖干擾影響很大，采用合理的濾波電路后能夠?qū)Ω蓴_產(chǎn)生有效的抑制效果，濾波電路結(jié)合屏蔽線纜共同使用能夠更好地解決電磁脈沖干擾問題，該項(xiàng)研究能偶為后續(xù)航天工程應(yīng)用提供有力支撐。