某机载飞行控制器传导敏感度分析与设计*

许　鸣　陈　旸

(南京模拟技术研究所　南京　210000)



某机载飞行控制器传导敏感度分析与设计*

许鸣陈旸

(南京模拟技术研究所南京210000)

摘要论文分析了传导敏感度的机理,针对某机载飞行控制器电气系统的关键部件做了传导敏感度方面的设计,详细介绍了电源滤波器、RS422串口、RS232串口、线缆的设计电路,最终满足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。为机载设备的电磁兼容设计提供了参考。

关键词电磁兼容; 传导敏感度; 滤波器; RS422; RS232; 线缆屏蔽

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

随着电气电子技术在航空飞行器上的成熟应用,飞行器所处的电磁环境日益复杂。各类航空电子设备及分系统的电磁兼容性设计与评估就显得越来越重要。本文针对某型无人机机载飞行控制器电气系统的关键部件做了传导敏感度方面的设计,以满足GJB151A-97和GJB152A-97的要求。总结了电源线、信号线和核心电路板在传导敏感度设计中应注意的问题,并给出了对应的设计策略,力图解决机载飞行控制器的电磁敏感问题[1～3]。

本文在某型机载飞行控制器设计阶段,从传导敏感度机理入手,分析干扰源、耦合路径和敏感电路及器件,采取了适当的设计方法和措施,以满足GJB151A-97和GJB152A-97中“CS101 25Hz～50kHz电源线传导敏感度”与“CS114 10kHz～400MHz电缆束注入传导敏感度”两项测试,做到了设备自兼容和一定程度的抗扰度。为机载设备和分系统的电磁兼容性分析设计提供了实例参考。

2敏感度机理分析

2.1敏感度三要素

所有的电磁兼容敏感度问题产生需要同时具备三个条件,即敏感度三要素:电磁干扰源、耦合途径(或传输通道)以及敏感设备,如图1所示。电磁干扰源是指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象;耦合途径(或传输通道)是指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或媒介,包括线缆、空间等;敏感设备是指受到电磁干扰影响,或者说对电磁干扰发生响应的设备[4]。

2.2干扰源

机载飞行器外部和内部的干扰源会对其敏感电路和器件产生干扰,对设备的正常工作产生影响。如图2所示,飞行器外部的干扰源主要有:

图1　敏感度三要素

图2　飞行器外部的干扰源示意图

1) 自然界的无线电噪声:以银河系为例,其频段在20MHz～500MHz范围内;

2) 雷电干扰:雷电现象发生在离地球表面15km～25km处,其频率在1kHz～5MHz范围内,放电峰值电流可达30kA,破坏能力极强;

3) EMP:空间中释放的强电磁脉冲(EMP)具有很宽的频谱,耦合到敏感设备上的干扰很强。

机载飞行器内部的干扰来自电源、感性负载、开关触点等,易产生从音频到百兆频率的不同程度的干扰。这些内部和外部的干扰,可以通过传导耦合和辐射耦合的机理影响到敏感设备。前者通过线束耦合到设备的电源线、信号线、核心电路、显示屏等重要部件,干扰信号叠加在有用信号上,使得高度集成、高度精确性、高度复杂性的电路部件出现敏感现象,例如电源转换电路的输出电压不稳定,传感器数据受干扰、舵机误动作、GPS定位错误等问题,最终影响航空飞行器的使用。

2.3耦合路径

电磁干扰敏感度的耦合路径可以分为传导耦合和辐射耦合两种,如图3所示。前者是干扰源与线缆存在电气连接,把干扰源叠加在传递的电流信号上,从而影响敏感设备。国军标考核的CS101、CS114等就是用“直接注入”或“探头注入”的方法,将干扰噪声叠加在被测设备的电源线束、信号线束上,从而评估被测设备的传导敏感度。

图3　耦合路径示意图

2.4敏感部件

严酷的电磁环境,使得机载飞行控制器的各个部件都有可能成为敏感部件。如设备的电源模块、串口通信、MCU核心电路、无线电台通信、电机继电器等。在传导敏感噪声源的干扰下,未考虑电磁兼容设计的部件或考虑不周全的部件都有可能出现敏感现象,如通信乱码、程序跑飞、器件损坏等。所以在传导敏感度设计中,周全的考虑会受到影响的敏感部件,选择费效比合适的设计方案,来解决设备的敏感度问题十分重要。

3传导敏感度设计

3.1飞控控制器功能介绍

本文设计的机载飞行控制器由主飞控、备飞控和双仲裁三个主要部件构成,如图4所示。主飞控和备飞控采集前级的信号参数,汇集、判断、计算,通过串口RS422/232通信,传送到双仲裁,双仲裁通过预先设定好的算法和判据对两个飞控的输出做判断,以监测飞行器的各项指标,最终输出到后级。作为整架飞行器的“大脑”,该机载飞行控制器的作用至关重要,也是电磁兼容设计中重点关注的设备。本文从电源、串口通信和线缆三个部分做了传导敏感度的设计。

图4　机载飞行控制器功能示意图

3.2电源设计

图5　电源滤波器电路

电源端使用滤波器是最常见的设计方法。本文中飞控控制器的电源端的滤波器设计如图5所示。考虑传导敏感度的干扰机理,选用了共模电感(LCM)、贴片电容(C1、C2、C3、C4)和磁珠(FB1、FB2)的拓扑组合。磁珠是一种铁氧体器件,有很高的电阻率和磁导率,等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化[5]。相比普通的电感有更好的高频滤波特性,在高频时呈现阻性,所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗,从而提高调频滤波效果。与传统的电源滤波器相比,选用WE-742792097的磁珠串联在滤波器输出端,有助于解决电容滤波存在的“窄带滤波”问题,抵抗线路上的高频干扰。图6表示无磁珠串联时该款滤波器的插入损耗,再加上磁珠在高频体现出的阻抗,大大增加了干扰噪声的衰减。

图6　滤波器的插入损耗

3.3信号串口设计

RS422和RS232都是典型的串口信号,其中RS422在正负电平之间变动,发送端与接收端通过双绞线将AA、BB相对应连接。RS422的传输信号共有四路,如图7所示,Y、Z两组发送,A、B两组接收,可以同时发送和接收信号,还有地线,便可实现全双工异步串行通信。接收端A-B的差值大于-50mV定义为正逻辑电平,小于-200mV定义为负逻辑电平,弱信号的传送过程中极易受到传导敏感噪声的干扰,影响接收端的逻辑判断。故在RS422和RS232串口设计时要兼顾过电压保护和高频噪声这两种的干扰[6]。

图7　RS422信号原理图

本文的飞行控制器选用了ADM 3076型的串口芯片。ADM 3076为3.3V低功耗数据收发器,适用于多点总线传输线路的全双工和半双工通信,符合TIA/EIA标准。还具有1/8单位负载接收器输入阻抗,允许一条总线最多连接256个收发器。由于任一时间仅使能一个驱动器,因此禁用或关断驱动器的输出处于三态,避免总线过载。接收器输入具有真故障安全特性,无需外部偏置电阻;当输入开路或短路时,可确保提供逻辑高输出电平。

虽然ADM 3076芯片本身提供±15kV的ESD保护功能,但考虑到国军标CS101和CS114对传导敏感度的要求[7],RS422芯片和RS232端口还采取了以下设计(未给出RS422和RS232功能性的设计电路),如图8和图9所示。

1) ADM 3076的供电引脚(VCC)增加并联1nF的电容至GND;

2) ADM 3076的输入引脚(A、B、DI)增加并联1nF的电容至GND;

3) RS232串口的2#、3#端口并联TVS(D1、D2)至GND,以对EMP干扰做出快速反应;

4) RS232串口的2#、3#端口串联磁珠(FB1、FB2),以应对耦合的高频噪声。

图8　ADM 3076设计电路

图9　RS232端口设计电路

3.4线缆选用

接口的设计除了电路板上的芯片做抗干扰处理,还要选用带滤波功能的连接器,如航空连接器,其内部有小孔径磁珠。必须要保证滤波连接器良好的接地性能,其金属外壳应与机壳保持良好的电连续性。采用360°环接,连接阻抗要小于1mΩ[8]。

机箱外部的所有连接电缆采用金属编织网屏蔽线缆,编织密度大于95%。这样具有屏蔽层的线缆,在传输高频信号(>100kHz)时,屏蔽层应双点或多点接地;如频率>1MHz或者线缆长度>0.05λ(λ为信号线中最高频率对应的波长),由于集肤效应,使得干扰噪声电流只在屏蔽层外表面通过,屏蔽层应采用多点接地,每隔(0.05～0.1)λ距离接一次地。本设备外部线缆的屏蔽层采用的是多点接地,接口与线缆的设计效果如图10所示。

4测试评估

4.1测试评估方法

依据GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114两个项目进行测试,来评估该机载飞行控制器传导敏感度设计的有效程度。飞行控制器在注入规定电平的电磁发射情况下,未出现性能下降或故障,则为合格,否则为不合格。

本文的机载飞行控制器的测试评估要求如表1所示。

表1　测试评估要求

CS101是测量直接施加在被测设备电源线上的连续波敏感度,如图11(a)所示,主要考核的是电源高次谐波,通常是七次以上的传导敏感度。而CS114用于检验被测设备承受出现在互连电缆上的射频干扰信号的能力,如图11(b)所示,采用的是调制信号,占空比50%、频率1kHz方波进行调频调制,借助电流探头,将干扰信号耦合到受试线缆上,电源线和信号线都是CS114考核的对象[9～10]。

图11　测试评估方法

4.2测试评估结果

表2表示了测试评估的结果,可以看出,仅考虑电源设计时只有CS101项目合格,主要通过线束“探头耦合”的CS114依然影响到设备的正常工作。采用电源、串口、线缆设计后,电源线和信号线均通过了CS101和CS114,达到了设计的预期。

表2　测试评估结果

5结语

针对机载飞行控制器使用的特点,本文在功能性设计基础上进行了传导敏感度分析与设计。给出了改进后的电源滤波器、RS232、PCB芯片和线缆的设计电路或原理图。最后通过了GJB151A-97和GJB152A-97中的CS101和CS114两个项目最为严酷的测试,达到了设计的预期目的,也为其他方面的电磁兼容设计提供了参考。

参 考 文 献

[1] 苏东林,王冰切.电子战特种飞机电磁兼容预设计技术[J].北京航空航天大学学报,2006,169(10):2100-2104.

[2] 苏东林,王东方,王明皓,等.机载天线电磁兼容性分析[J].北京航空航天大学学报,2002,28(2):228-230.

[3] 王志强,陈启忠,顾幸生.某航天系统控制器的电磁兼容设计[J].宇航学报,30(3):1159-1163.

[4] 陈旸.电快速脉冲群引起的辐射电磁干扰机理分析及其应用[D].南京:南京师范大学硕士论文,2014:1-2.

[5] 陈旸,赵阳,等.线束串扰的电磁骚扰应用仿真研究[J].电子质量,2013(9):74-78.

[6] 孙自胜,谭涌波,冯民学.串行通信中RS422接口浪涌保护器的设计与研究[J].电瓷避雷器,2013,3:36-41.

[7] 郑红星,曹晓绯.RS422在反坦克导弹上的应用研究[J].弹箭与制导学报,28(4):32-35.

[8] Shim Jongjoo, et al. Circuital modeling and measurement of shielding effectiveness against oblique incident plane wave on apertures in multiple sides of rectangular enclosure[J]. IEEE Trans Electromagn Compat,2010,52(3):566-577.

[9] 国防科学技术委员会.GJB 151A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].北京,1997:7-8.

[10] 国防科学技术委员会.GJB 152A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量[S].1997:24-79.

中图分类号V240

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.012

作者简介:许鸣,男,硕士,高级工程师,研究方向:电磁兼容、通信网络、无人机测控。陈旸,男,硕士,助理工程师,研究方向:电磁兼容。

*收稿日期:2015年7月5日,修回日期:2015年8月27日