某星载电子设备电磁干扰问题分析与探讨

张兴国 周新发 江耿丰 董暘暘 田宇斌

北京控制工程研究所 ,北京 100190



某星载电子设备电磁干扰问题分析与探讨

张兴国 周新发 江耿丰 董暘暘 田宇斌

北京控制工程研究所 ,北京 100190

随着航天电子产品的功能日趋复杂，产品的电磁兼容问题也越来越突出，对电磁兼容必须严格设计。本文介绍了某星载电子设备在系统测试中出现的一例电磁干扰问题，分析了问题原因并提出解决方法，这对同类电子设备电磁兼容设计具有重要参考意义。

星载电子设备;电磁干扰(EMI);系统复位

电子设备的电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)，主要是指电子设备在其所处的电磁环境中按设计要求正常运行的能力，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰(Electromagnetic interference，EMI)，即信号与干扰共存的能力。满足EMC要求的电子设备既不会影响其它设备的正常运行，也不会受其它设备工作的影响而出现性能下降或故障。

随着电子技术的发展，电子产品功能日益强大，设计越来越复杂，体积、质量及功耗都不断下降。航天器电子产品对体积，质量和功耗的限制十分苛刻，而对产品高性能的追求不断提高，这就使得航天电子产品的功能日趋复杂，安装密度越来越高，使产品内部及产品间的EMC问题变得十分突出。EMC设计的重要性越来越明显，加强对产品EMC设计已成为一个现实问题。

某星载电子设备是适应卫星小型化、集成化的需求，将多种功能线路组合在一起，设备内部干扰源和敏感器件多，信号电缆传输线密集，空间小，相互间很容易造成干扰。如果干扰效应严重，将导致系统失灵，甚至可能产生严重的故障，所以电磁兼容性是该设备的一项重要指标。

1 某星载电子设备组成

某星载电子设备组成如图1所示，包括DC/DC模块、敏感器数据采集单元、处理器单元(包括CPU板和局部控制单元)、部件供配电模块、功放驱动输出模块等。敏感器数据采集单元实时采集卫星各敏感器测量部件的信息并送处理器单元，处理器单元对敏感器数据集中处理，控制卫星执行机构动作并对各部件供配电进行控制。

设备由各功能线路板组成，机箱内线路板之间的信号通过一块总线板实现互连，而各线路板对外的输入输出信号通过电缆导线连接到机箱外接插件，受小型化空间限制，设备内外连接的电缆导线被捆扎在一个电缆束里，如图2所示。

图1 某星载电子设备组成

图2 某星载电子设备组成

2 EMC问题介绍

本星载电子设备已成功应用于多颗卫星，功能性能一直满足要求，近年来在某型号系统测试时，当设备为星敏感器(28V)加电后，发出动量轮加电(28V)指令时，处理器模块出现CPU系统(硬件)复位，多次试验并更换CPU板都出现该问题。复位电路原理框图见图3所示，CPU板处理器为TSC695F，其复位源包括：上电复位、地面(遥控)复位和看门狗复位。在设计时为实现“线或”功能和防止串电，采用了较多的二极管用于隔离各路复位通道。

CPU发生系统复位的直接原因是处理器TSC695F的SYSRESET*管脚收到了有效的低电平信号。而按照TSC695F处理器手册的说明，只要SYSRESET*的低电平宽度超过4个时钟周期(CPU板为400ns)就能导致处理器有效复位。而通过试验测得处理器的SYSRESET*管脚在负脉冲宽度为40ns的时候，CPU有很大的概率实现正常复位。

图3 复位电路图

CPU发生系统复位时的复位端波形，如图4所示，由多个连续的高频负脉冲组成，且脉宽>400ns，足以使CPU芯片发生复位。复位线路显然是接受到高频干扰信号导致错误复位信号。

图4 CPU芯片复位端波形

3 EMC问题分析

电子产品内部EMC问题，目前还没有统一的评价标准及测试方法，这类问题在产品设计、生产和试验中大部分会得到解决，但有些EMC设计缺陷仅在某些特定条件下才表现出来，或出现的概率极小。

构成电磁干扰必须具备3个要素，即干扰源、受干扰对象(敏感部位)及两者间耦合路径。电磁干扰的基本模型就是这3个环节的串联，如图5所示。

图5 电磁干扰基本模型

解决和降低电磁干扰必须从上述3要素着手，抑制干扰源，切断耦合路径和保护敏感设备。

本次发生的CPU复位问题是一个典型的EMC问题，系统中同时存在干扰源、传播途径和敏感点，电磁干扰信号由干扰源出发，经由传播路径到达敏感点产生干扰，干扰源、传播途径和敏感部位作为电磁干扰3要素，只有同时具备这3者才会出现EMC问题。因此，对这一故障的原因分析从干扰源、传播路径和敏感部位3方面进行。

1) 干扰源

设备在给动量轮加电的瞬间，供电线路上会出现一个大小15A左右的浪涌电流，并且该浪涌电流的变化率di/dt达到了106这一数量级。当为动量轮供电的继电器闭合时，由于继电器本身的特性，其触点会发生弹跳和拉弧现象，继电器触点的弹跳会导致28V电源母线上出现一连串尖峰脉冲，而拉弧现象则会产生电火花，这种电火花所产生的电磁辐射是一种全频段的电磁干扰信号，会通过继电器机壳向空间进行辐射。

通过上述分析，本问题的干扰源为一种瞬态干扰(时间很短，但幅度较大的电磁干扰)，且包括了电快速脉冲(EFT)和浪涌(SURGE)两种形式。动量轮加电所产生的浪涌电流在通过继电器时，继电器触点跳动所产生的干扰和拉弧所形成的电磁辐射共同构成了干扰源，而动量轮加电时所产生的浪涌电流是干扰信号主要的能量来源。

2) 传播途径(耦合路径)

耦合路径是指部分或全部电磁能量从规定源传输到另一电路或装置所经由的路径。而电子设备内部常见的传播路径有空间辐射耦合和导线间传导耦合。动量轮干扰信号的直接传播路径是28V电源母线和地，而受扰的CPU复位电路则是由二次电源产生的5V网络，这2个电源网络之间并不存在直接通路。

设备内部线路板与外接插件之间的导线连接在机箱内部是绑扎在一起，线缆束中不仅有28V供电线及其回线，还包括了二次电源的供电线及其回线与大量信号线缆，这些线缆之间相互绑扎在一起极易产生干扰信号的耦合。

对于干扰信号而言，其传播路径主要依靠的是导线间广泛存在的分布电容和分布电感，因此，可以将干扰信号的传播路径简化为如图6所示的电路。

图6 干扰传播路径模型

图中C1是28V电源母线对地(机壳)的等效电容，L是系统中各种线缆对地的等效电感，C2则是5V信号网络对地(机壳)的等效电容，R为这一等效电路的输出阻抗。

干扰信号从动量轮和继电器出发，进入28V母线，由于干扰信号的di/dt很大,因此会在电容C上产生很大的dv/dt，进而在电容后端感应出相应的干扰。线缆与地之间存在电感L，电路与地之间存在电阻R，干扰信号无法得到有效泄放就会只能通过沿该路径向用户电路传播，当用户电路对干扰信号抵抗能力较弱时，就会受到干扰。

3) 敏感部位

敏感部位是指容易受到电磁干扰影响，并能产生不可避免性能降级的线路部位。对于本次发生的CPU复位故障，其敏感部位为复位电路，原因1：在检查CPU复位信号SYSRESET*走线时，发现从上一级54AC14输出(上拉10K电阻)到CPU复位输入端的印制导线长度为150mm，对于40ns脉宽即可能响应的SYSRESET*信号，150mm的印制板走线构成了一个很大的回路面积，使得回路信号对外界很敏感。原因2：复位电路中存在3处对电源阻抗较高的点：①上拉100K电阻；②下拉30K；③上拉10K电阻，当干扰信号进入这些点，由于没有低阻释放回路，所受干扰信号会沿复位电路放大和传播，最后进入CPU处理器的SYSRESET*管脚，造成处理器发生系统复位。

4 解决措施

EMC问题是一个由干扰源、传播途径和敏感点3要素所共同构成的复杂问题，当3要素中的任何一个缺失时，EMC问题都不会发生。正是基于这一点，通过修改复位电路增强其抗干扰能力，消除干扰信号对其影响，这也是最行之有效和快速的解决办法。动量轮作为干扰源属于外部环境，而构成传播路径的机箱电缆布线，短时间内也是无法更动和验证。

根据CPU发生系统复位时的复位波形来看，干扰信号的频率很高，因此,可以采用高频接地的方法在不破坏原有电路对地连接方式的前提下为干扰信号建立释放通路，同时将复位电路中2个敏感器点的对电源阻抗较大的电阻阻值降低，健壮了复位电路。更改后的电路如图7所示：将第一级门输入的100kΩ上拉电阻调整为10kΩ，对地增加1个200pF电容，实行高频接地，将第二级门输入的30kΩ下拉电阻调整为5.1kΩ，对地也增加1个200pF电容，同时还更改CPU复位输入端阻抗，将上拉电阻阻值由10kΩ改到1kΩ。

图7 更改后的复位电路图

复位电路更改后，在系统环境进行多次测试试验，CPU没有再发生系统复位故障，通过测量CPU处理器复位端波形，如图8所示，干扰信号幅度很小，其影响可忽略，证明采取的措施是有效的。测量电源VCC(+5V)波形，如图9所示，VCC幅值波动微小，保证了整机可靠工作。

图8 更改后测得的复位端波形

图9 动量轮加电时VCC(+5V)波形

5 结论

星载电子设备由于其复杂的组成和使用环境，电磁干扰产生的因素以及传递途径十分复杂。因此，各种措施的有效性也随之而异，指望一种既简单又万能的方法是不现实的。需要在开始设计时就着手考虑电磁兼容设计，并始终贯穿在元器件选择、电路设计、电缆布线和屏蔽接地等方面。本文结合电磁干扰3要素，对某星载电子设备电磁干扰问题进行分析和探讨，其分析思路对其它星载电子设备EMC设计也具有参考价值。

[1] 王志成.星载电子设备电磁兼容接地设计[J].无线电工程, 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.舰船电子设备的电磁兼容性技术实践[J].舰船电子对抗,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] 郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析(第二版)[M].北京:电子工业出版社,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

张兴国(1978-)，男，江苏灌云人，硕士，工程师，主要研究方向为星载计算机；周新发(1974-)，男，广西灌阳人，硕士，研究员，主要研究方向为星载计算机设计及测试；江耿丰(1982-)，男，浙江温岭人，硕士，工程师，主要研究方向为星载计算机和容错技术；董暘暘(1985-)，男，四川雅安人，工程师, 主要研究方向为星载计算机；田宇斌(1983-)，男，山西榆社人，工程师, 主要研究方向为星载计算机及可靠性设计。

1006-3242(2014)04-0086-05

TP338.8

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