某数字式控制器电磁兼容性设计与分析

摘要 介绍了数字电路中电磁兼容的目的和意义，通过分析某数字式控制器的具体结构、干扰源及其传播路径和特点，提出了从4个方面进行电磁兼容设计与改进，即系统设计、机械结构设计、滤波器设计和接地设计，并通过具体的频谱扫描图对设计改进前后进行对比，验证了理论分析与设计改进措施的合理性与正确性。

随着计算机技术的发展，数字式控制器被广泛应用于飞机和无人机领域，数字式控制器较模拟式控制器有诸多优点，但对其应用也带来一些负面影响，较为突出的是在飞机机载设备环境下的电磁兼容问题，若不采取相应的电磁兼容设计和工程方法的解决，则会产生严重问题。

本文针对某飞机机载数字式控制器在电磁兼容性试验中遇到的问题，通过电磁理论分析和工程实践手段对其进行具体分析，系统提出了数字式控制器的电磁兼容性设计方法，通过相关工程实践解决了电磁兼容试验中的辐射发射和传导发射超标问题，并通过电磁兼容性试验验证了设计与工程方法的可行性。

1 电磁兼容性试验要求

机载设备电磁兼容性试验的内容包括传导发射、辐射发射、传导敏感度和辐射敏感度。对于机载数字式控制器的电磁兼容设计必须根据机载环境、干扰源的特点以及传播途径，从系统设计、机械结构设计、滤波器设计和接地设计等方面进行。

2 系统构型及电磁干扰源

该数字式控制器的主要功能是采集、记录、处理各种传感器信号和输入的数字信号，根据设置好的控制率，实现对系统的输出控制。某数字式控制器系统架构图及电磁干扰传播路径如图1所示。

该控制器的CPU是主处理模块，CPU模块内主要电磁干扰源有两个，如图1所示，20 MHz的晶振是CPU模块中的主处理器工作时钟，同时也是底板总线的时钟;3.686 4 MHz的晶振是CPU模块中RS-422A总线通讯的时间基准。AIO模块中2.4 kHz的交流激励电压用于LVDT传感器的激励电源。DIO模块主要用于离散量的调理和功率输出等，这里并无明显的频率干扰源，基本是54系列的门电路。PS模块将飞机上的27 V电源转换为控制器内使用的二次电源。

3 电磁干扰源分析

图1显示了该数字式控制器内的主要干扰源及传播途径，即20 MHz、3.686 4 MHz的晶振和2.4 kHz的交流激励电压。通常干扰源对外部的干扰有两种传播途径：一是通过为干扰源器件供电电源线传播出机箱导致的传导发射超标;另一种是通过空间辐射传播出机箱导致的辐射发射超标。因此，对电磁干扰的抑制措施也主要通过这两个途径进行。

传导发射超标就是干扰信号沿着电源线或信号线传播到机箱外部，干扰信号沿电源线的传导又分为干扰源直接通过电源线传播和干扰辐射到空间被电源线接收后再传播两种方式。当机载计算机系统不能满足有关电磁干扰的限制要求时，尤其是不能通过GJB151A标准中的CE102时，最大可能的原因是电源线的滤波和防辐射措施不到位。

数字式控制器的机箱上有孔缝及连接器和电缆，而孔缝和电缆是效率较高的电磁波发射与接收天线，空间的电磁干扰通常首先被电缆接收，然后传入到计算机中，造成电路的误动作。当机载计算机系统不能满足有关电磁干扰的限制要求时，尤其是不能通过GJB151A标准中的RE102时，最大可能的原因是孔缝和电缆的电磁干扰泄露。

4 电磁兼容性设计

4.1 整机系统电磁兼容性设计

在对数字式控制器进行系统架构设计、模块功能分配、机箱模块配置以及连接器信号定义时，进行了电磁兼容性设计。

数字式控制器的20 MHz和3.686 4 MHz两个时钟晶振，是电磁兼容设计控制的重点对象，为了减小其在空间的辐射，在印制板布局时，将20 MHz晶振布在距离处理器芯片的时钟管脚最近处，而3.686 4 MHz晶振布在距离RS-422A通讯协议芯片时钟管脚最近处;走线时，将其走在印制板的内层，并处于两层地之间，在时钟线周围加地线包裹;为减少电源线上的传导干扰，在两个晶振的+5 V供电电源入口处加磁珠，在28 V电源线入口处增加电源滤波器。

连接器的信号定义也是电磁兼容性设计的重要方面。在该实例中，对数字式控制器的信号进行分类，将抗干扰能力弱的模拟信号和抗干扰能力强的28 V电源及功率离散量信号、通讯信号和调试接口均定义在一个连接器内，这样就在制作电缆时，将功率信号、电源、模拟信号、调试信号相互分开，降低了高频对模拟信号的干扰。

4.2 机械结构电磁兼容性设计

对数字式控制器而言，设计制作具有良好屏蔽效能的机箱和模块壳体，是实现电磁屏蔽的关键。机箱屏蔽效能不仅取决于屏蔽体材料，还取决于屏蔽体结构，所有机箱表面均有孔缝。因此，必须仔细处理孔缝，防止通过孔缝泄露电磁干扰信号。该控制器在机箱盖板和箱体之间加共模压导电橡胶，机箱盖板螺钉之间的距离设置入/2。对于连接器和机箱之间的缝隙，采用对高频具有良好导电性的橡胶条实现密封。

开关电源模块内的控制器的频率最大有十几kHz，但由于其控制的MOS管和变压器通过的电流较大，因此，也会产生较大的干扰，需通过给开关电源模块单独增加壳体实现双层屏蔽，以达到较好的屏蔽效果。此外，需注意的是，所有屏蔽效果的实现均依赖于屏蔽体的良好接地，因此，必须仔细处理机箱的接地，测试机箱的接地电阻是否符合机载设备的相关标准要求。

另外一种结构电磁兼容性设计的方法是对电缆的电磁屏蔽。在进行该控制器的电缆设计制作时，将电源线、模拟量信号和通讯信号分别单独做电缆且双绞屏蔽。为了减小电路对外的电磁辐射强度，将电源线和对应的地线在磁环上绕砸，或将差分信号的两根线在磁环上绕砸。而一组通讯接口中的发送和接收也分别做了屏蔽，还对每个差分电路的两根线分别进行双绞屏蔽。电缆屏蔽层的接地是通过屏蔽层与金属连接器外壳可靠接地。

4.3 电源滤波器设计

该数字式控制器的电源滤波器由电感、电容、共模电感元件构成低通滤波器，其基本电路如图2所示。

由于控制器的滤波器在安装过程中不规范，出现了CE102超标的问题，其频谱曲线如图3所示。经仔细分析和排查，发现滤波器的输入输出线距离较近，将滤波器“短路掉”，根据这一原因，进行更改后，CE102频谱扫描完全在标准范围内，其频谱曲线如图4所示。

试验结果验证了理想的滤波器安装方式是输入线尽量短，其输入和输出线隔离，滤波器外壳良好接地。

4.4 接地设计

该数字式控制器中的地包括28 V供电电源地、28V离散量信号地、数字电路地、模拟电路地和机箱搭铁地。28 V供电电源的地线必须单独引线，不能用机箱搭铁作为地线，在处理时也是单独引一根地线，不与机箱连接。数字电路地是机载计算机的二次电源地，因此，其地线中有大量的高频电流，为了抑制数字电路对模拟电路所带来的干扰，将数字电路与模拟电路分开布线、铺设地层，并减少相互影响。模拟电路地也是机载计算机的二次电源地，通常会有混合电路芯片如A/D转换器是既有模拟电源，又有数字电源供电，且只有两种电源共地后，芯片才能正常工作。将芯片的数字地和模拟地管脚通过一根最短的印制板走线相连，即单点接地，以免形成地环路。

为保证整个控制器的参考地稳定，也为了确保控制器和其他机载设备电气互联具有统一的参考，将整个系统的地与机箱通过单点接地，而机箱通过搭铁线与飞机机体或大地可靠连接。

5 结束语

本文通过分析数字式控制器的具体结构和特点，找出了主要干扰源，并从整机系统、机械结构和电源滤波器以及接地系统进行了有针对性的电磁兼容设计，使该数字式控制器的电磁兼容性试验全部达到要求，其中CE102的频谱扫描图见图5所示。同时，试验结果也验证了文中电磁兼容设计方法是行之有效的，可供其他电子设备借鉴。