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電磁烘幹爐廠家告訴您:某數字式控製器電磁兼容性設計與分析

2019-06-20

  電磁加熱控製器廠家告訴您:某數字式控製器電磁兼容性設計與分析
  摘要 介紹了數字電路中電磁兼容的目的和意義,通過分析某數字式控製器的具體結構、幹擾源及其傳播路徑和特點,提出了從4個方麵進行電磁兼容設計與改進,即係統設計、機械結構設計、濾波器設計和接地設計,並通過具體的頻譜掃描圖對設計改進前後進行對比,驗證了理論分析與設計改進措施的合理性與正確性。
  隨著計算機技術的發展,數字式控製器被廣泛應用於飛機和無人機領域,數字式控製器較模擬式控製器有諸多優點,但對其應用也帶來一些負麵影響,較為突出的是在飛機機載設備環境下的電磁兼容問題,若不采取相應的電磁兼容設計和工程方法的解決,則會產生嚴重問題。
  本文針對某飛機機載數字式控製器在電磁兼容性試驗中遇到的問題,通過電磁理論分析和工程實踐手段對其進行具體分析,係統提出了數字式控製器的電磁兼容性設計方法,通過相關工程實踐解決了電磁兼容試驗中的輻射發射和傳導發射超標問題,並通過電磁兼容性試驗驗證了設計與工程方法的可行性。
  1 電磁兼容性試驗要求
  機載設備電磁兼容性試驗的內容包括傳導發射、輻射發射、傳導敏感度和輻射敏感度。對於機載數字式控製器的電磁兼容設計必須根據機載環境、幹擾源的特點以及傳播途徑,從係統設計、機械結構設計、濾波器設計和接地設計等方麵進行。
  2 係統構型及電磁幹擾源
  該數字式控製器的主要功能是采集、記錄、處理各種傳感器信號和輸入的數字信號,根據設置好的控製率,實現對係統的輸出控製。某數字式控製器係統架構圖及電磁幹擾傳播路徑
  3 電磁幹擾源分析
  數字式控製器內的主要幹擾源及傳播途徑,即20 MHz、3.686 4 MHz的晶振和2.4 kHz的交流激勵電壓。通常幹擾源對外部的幹擾有兩種傳播途徑:一是通過為幹擾源器件供電電源線傳播出機箱導致的傳導發射超標;另一種是通過空間輻射傳播出機箱導致的輻射發射超標。因此,對電磁幹擾的抑製措施也主要通過這兩個途徑進行。
  傳導發射超標就是幹擾信號沿著電源線或信號線傳播到機箱外部,幹擾信號沿電源線的傳導又分為幹擾源直接通過電源線傳播和幹擾輻射到空間被電源線接收後再傳播兩種方式。當機載計算機係統不能滿足有關電磁幹擾的限製要求時,尤其是不能通過GJB151A標準中的CE102時,*大可能的原因是電源線的濾波和防輻射措施不到位。
  數字式控製器的機箱上有孔縫及連接器和電纜,而孔縫和電纜是效率較高的電磁波發射與接收天線,空間的電磁幹擾通常首先被電纜接收,然後傳入到計算機中,造成電路的誤動作。當機載計算機係統不能滿足有關電磁幹擾的限製要求時,尤其是不能通過GJB151A標準中的RE102時,*大可能的原因是孔縫和電纜的電磁幹擾泄露。
  4 電磁兼容性設計
  4.1 整機係統電磁兼容性設計
  在對數字式控製器進行係統架構設計、模塊功能分配、機箱模塊配置以及連接器信號定義時,進行了電磁兼容性設計。
  數字式控製器的20 MHz和3.686 4 MHz兩個時鍾晶振,是電磁兼容設計控製的重點對象,為了減小其在空間的輻射,在印製板布局時,將20 MHz晶振布在距離處理器芯片的時鍾管腳*近處,而3.686 4 MHz晶振布在距離RS-422A通訊協議芯片時鍾管腳*近處;走線時,將其走在印製板的內層,並處於兩層地之間,在時鍾線周圍加地線包裹;為減少電源線上的傳導幹擾,在兩個晶振的+5 V供電電源入口處加磁珠,在28 V電源線入口處增加電源濾波器。
  連接器的信號定義也是電磁兼容性設計的重要方麵。在該實例中,對數字式控製器的信號進行分類,將抗幹擾能力弱的模擬信號和抗幹擾能力強的28 V電源及功率離散量信號、通訊信號和調試接口均定義在一個連接器內,這樣就在製作電纜時,將功率信號、電源、模擬信號、調試信號相互分開,降低了高頻對模擬信號的幹擾。
  4.2 機械結構電磁兼容性設計
  對數字式控製器而言,設計製作具有良好屏蔽效能的機箱和模塊殼體,是實現電磁屏蔽的關鍵。機箱屏蔽效能不僅取決於屏蔽體材料,還取決於屏蔽體結構,所有機箱表麵均有孔縫。因此,必須仔細處理孔縫,防止通過孔縫泄露電磁幹擾信號。該控製器在機箱蓋板和箱體之間加共模壓導電橡膠,機箱蓋板螺釘之間的距離設置入/2。對於連接器和機箱之間的縫隙,采用對高頻具有良好導電性的橡膠條實現密封。
  開關電源模塊內的控製器的頻率*大有十幾kHz,但由於其控製的MOS管和變壓器通過的電流較大,因此,也會產生較大的幹擾,需通過給開關電源模塊單獨增加殼體實現雙層屏蔽,以達到較好的屏蔽效果。此外,需注意的是,所有屏蔽效果的實現均依賴於屏蔽體的良好接地,因此,必須仔細處理機箱的接地,測試機箱的接地電阻是否符合機載設備的相關標準要求。
  另外一種結構電磁兼容性設計的方法是對電纜的電磁屏蔽。在進行該控製器的電纜設計製作時,將電源線、模擬量信號和通訊信號分別單獨做電纜且雙絞屏蔽。為了減小電路對外的電磁輻射強度,將電源線和對應的地線在磁環上繞砸,或將差分信號的兩根線在磁環上繞砸。而一組通訊接口中的發送和接收也分別做了屏蔽,還對每個差分電路的兩根線分別進行雙絞屏蔽。電纜屏蔽層的接地是通過屏蔽層與金屬連接器外殼可靠接地。
  4.3 電源濾波器設計
  該數字式控製器的電源濾波器由電感、電容、共模電感元件構成低通濾波器,其基本電路如圖2所示。
  由於控製器的濾波器在安裝過程中不規範,出現了CE102超標的問題,其頻譜曲線如圖3所示。經仔細分析和排查,發現濾波器的輸入輸出線距離較近,將濾波器“短路掉”,根據這一原因,進行更改後,CE102頻譜掃描完全在標準範圍內,其頻譜曲線如圖4所示。
  試驗結果驗證了理想的濾波器安裝方式是輸入線盡量短,其輸入和輸出線隔離,濾波器外殼良好接地。
  4.4 接地設計
  該數字式控製器中的地包括28 V供電電源地、28V離散量信號地、數字電路地、模擬電路地和機箱搭鐵地。28 V供電電源的地線必須單獨引線,不能用機箱搭鐵作為地線,在處理時也是單獨引一根地線,不與機箱連接。數字電路地是機載計算機的二次電源地,因此,其地線中有大量的高頻電流,為了抑製數字電路對模擬電路所帶來的幹擾,將數字電路與模擬電路分開布線、鋪設地層,並減少相互影響。模擬電路地也是機載計算機的二次電源地,通常會有混合電路芯片如A/D轉換器是既有模擬電源,又有數字電源供電,且隻有兩種電源共地後,芯片才能正常工作。將芯片的數字地和模擬地管腳通過一根*短的印製板走線相連,即單點接地,以免形成地環路。
  為保證整個控製器的參考地穩定,也為了確保控製器和其他機載設備電氣互聯具有統一的參考,將整個係統的地與機箱通過單點接地,而機箱通過搭鐵線與飛機機體或大地可靠連接。
  5 結束語
  本文通過分析數字式控製器的具體結構和特點,找出了主要幹擾源,並從整機係統、機械結構和電源濾波器以及接地係統進行了有針對性的電磁兼容設計,使該數字式控製器的電磁兼容性試驗全部達到要求,其中CE102的頻譜掃描圖見圖5所示。同時,試驗結果也驗證了文中電磁兼容設計方法是行之有效的,可供其他電子設備借鑒。

某數字式控製器電磁兼容性設計與分析


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