一种用于惯性系统的刚挠背板设计方法

马一通，闫文民，翟庆辉，杨 洋

（1.超精密航天控制仪器技术实验室， 北京 100039；2.北京航天控制仪器研究所， 北京 100039）

0 引言

惯性系统背板用来连接各功能电路，其主要用途是在各子电路板之间起到一个桥梁的作用。背板具有通信速率高、电路密度大、信号线拓扑结构复杂等鲜明特点，在高精度惯性系统的背板设计中需要考虑信号诸多、电源完整性等问题，如时序延时、信号串扰、传输线效应、噪声干扰、电源分配等。

传统的惯性系统电路箱背板采用的是PCB板，背板通过连接器与各主功能板进行连接。背板上的布线包括供电电源线、高速传输线、低速控制线、功率线以及电源平面。随着信号速率的提高以及电路规模的增大，传统背板给信号质量的提升带来了挑战。传输速率的提高、传统电路箱信号的完整性问题逐渐突出，成为制约信号质量的关键因素。为改善信号完整性问题，背板需要进行优化设计。

结合线缆背板的优势与刚挠背板的好处，将电路背板与模块子板的连接部分做成PCB板，而需要三维信号传输的部分则通过FPC柔性线来实现连接。FPC的柔软性要比线缆好，且FPC的布线密度要比线缆大。对于有阻抗和屏蔽要求的特殊信号，则采用专用高速线缆。这三种方式结合的背板设计保证了信号传输质量，同时实现了信号的长距离传输，带来了安装方便，同时保证了物理连接的可靠性。

本文基于惯性系统设计了有限空间内不同功能电路的电气连接方案，完成了惯性系统中机电一体化的合理布局布线，解决了电场、磁场和温度场等综合因素对精度电路的干扰问题。高效的设计方法和合理的仿真分析为惯性系统的电气系统设计提供了便利，实现了惯性系统的功能紧凑性和性能的可靠性。

1 惯性系统电气背板的方案设计

在本文设计中，采用PCB板、FPC线和高速线缆的混合形式。在设计电气背板时，不仅需要考虑背板的安装方便，更重要的是要考虑传输通道的性能。电气背板的结构如图1所示，整体结构包括电源入口EMI滤波、一体化电源、功能电路背板、FPC线缆、高速屏蔽信号、敏感器和执行器刚挠连接、高速外界线缆。

采用的新电气背板方法考虑了物理特性的力、热、电、磁等方面因素，很好地解决了空间布局复杂的惯性系统电路连接问题，有效地提高了电路的抗干扰能力。

图1 背板电路的结构示意图Fig.1 Structure diagram of rigid-flex backplane circuit

2 刚挠背板的具体设计

2.1 模块电路的合理划分

电气系统的设计应该将模块电路的功能进行分区及布局。分区的目的是把有干扰的功能区、电源层、接地层与其他敏感区和无干扰的或静态区域分开，功能区的布局要根据实现功能区的需要、频率接近度、电平接近度、功率分布等几方面来确定。

刚挠电路所连接的部分包括：加速度计电路、轴角转换电路、惯性计算机电路、自监测电路、电源滤波电路、一体化电源接口、惯性仪表输入输出接口、力矩电机接口。刚挠电路的数字化智能设计实现了功能电路的三维布局，保证了惯性系统机电一体化后电路系统的紧凑性。

2.2 电源滤波和集中分配

总电源进行的针对性电磁滤波针对的是电路中的所有一次电源和二次电源，这些电源都设计了电源滤波电路。每个器件都设计有滤波电容，电容尽可能接近芯片的电源端，减小了环路面积。

一次电源入口端：滤波器与DC/DC的配套使用是为满足电磁兼容GJB151A-97的CE102的要求。根据电源负载种类的不同，将滤波器分组使用。弹上电源用的HFD28-461F-B型滤波器在500kHz频段上的噪声抑制≥50dB，地面电源用的HFH-461F-B型滤波器在100kHz频段上的噪声抑制≥40dB。一次电源入口后的电源系统布局如图2所示。

图2 系统电源布局Fig.2 Layout of system power

为使输入电源噪声能够减小，在二次电源输入端放置π型滤波器，π型滤波器应靠近接插件的位置，同时滤波电路应尽量靠近电源。在本文的设计中，所采用的3组8种电源的输入端就使用了π型滤波器滤波以减小电源的扰动，在电源输入端和功率输出端设计了共模和差模滤波器。电源电流频率特性如表1所示，在芯片电源引脚附近设置去耦电容，降低了电源干扰对电路的影响。

表1 惯性系统二次电源特性表Table 1 Characteristics of secondary power supply

传统的惯性系统电源电路均为板级设计，布置在电路箱内，对电路箱的热学环境和电磁环境会带来不利影响。集中化分配二次电源可以改善系统的热环境和电磁环境，同时提高电源的数字化、智能化、一体化水平。

分系统的二次电源进行集中分配，该产品为独立数控并具备自监测功能的电源系统，为仪表和电路提供所需的电机电源和交直流电源，同时完成一次电源与二次电源及二次电源各路之间的隔离任务。二次电源系统包括3组共8路直流电源、1路可控的交流方波马达电源、2路交流正弦激磁电源、电源控制电路和电源监测电路。数字化一体电源采用模块式独立单件设计，减小了电路箱内的发热功率和电磁干扰，同时提高了自身的散热性能，改善了系统的热设计和电磁兼容性。

数字化智能电源模块实现了受控电源的数字控制、电源功能的自监测、故障的自诊断，系统可实时监测各电源状态并根据惯性系统功能要求控制各种电源的工作状态。

2.3 功能电路的电气连接

功能电路的电气连接主要包括6组相互隔离的参考地、多个测温点的二级温控系统、石英表输出系统、轴角度采集系统、稳定调平回路系统等功能电路的230多根不同网络信号的电气连接网络。软件自动检验对照接线表的检查，提高了走线的正确性。电气背板的刚挠混合设计取消了背板到接插件的焊接过程，省去了检验对照接线表的检查，避免了不同地线分组的信号相互交叉。

印制板设计合理划分不同电源的电地层，防止相互感应产生干扰；信号走线布局合理，防止不同电位信号相互干扰；电气背板的刚挠设计为不同参考地的信号分区走线提供了可能。本设计的参考地包括：数字参考地、回路参考地、加速度计参考地、功率参考地、地面参考地和通信参考地。信号参考地的叠层按颜色区分，如图3所示。

在电气背板中，不仅有各种低压直流电，还有正弦交流电和三相方波交流电。因此，电源平面的设计更为复杂。在这种情况下，为了降低电源对高速信号的影响，需要在水平方向上将背板分成若干个独立的区域，即高速信号区域和功率电流区域，这些区域之间采用完全隔离的方法。采用水平方向上的隔离，可以有效降低电源平面对信号产生的噪声。

图3 刚挠背板电气连接图Fig.3 Electric connection diagram of rigid-flex backplane

背板信号种类数量较多，在有限面积的印制线内完成走线，信号完整性应得到重视。影响SI的主要因素有：1）信号阻抗匹配：发送端串联匹配和接收端并联匹配；2）通信信号回路：高速串口、1553B总线尽量减少高速信号走线回路；3）串扰：高速信号之间平行走线长度的间距应遵循3W原则。

3 刚挠背板的优化设计

为了确保该电气背板的性能，主要从背板覆铜板和铜箔材料的选材、连接方式的选择、通信方式、电磁优化设计等几个方面来提升性能。

3.1 电气背板的设计要求

背板覆铜板的选取：在电路板中，影响信号传输损耗的主要因素有导体损耗和介质损耗。为减少传输损耗，功能电路间的信号连接选择较短的信号，采用FR4板材。对于信号交换背板上的高速传输线，种类比较多且长度比较长，为了降低传输通道的衰减，采用Nelco板材。背板与子板的连接关系如图4所示。

图4 背板与子板连接关系图Fig.4 Connection diagram of backplane and daughter-board

背板铜箔材料的选取：铜箔对高速信号容易产生较大的损耗，主要是由铜箔的粗糙度和信号趋肤效应引起的。由于趋肤效应的影响，传输线的阻性损耗会增大，从而影响数字通信系统的性能。由此，信号幅度的降低会影响信号的噪声容限，边沿变化率的减慢会影响信号的时序容限。在直流或者低频电路中，系统只有直流损耗。但随着频率的增加，在高频电流经过导线时，大部分电流将会集中到趋肤深度的环面导体中。趋肤效应使得传输线的有效电流面积减小，且使得传输线的等效电阻增加。

3.2 背板的通信总线设计

对于数字总线，并行方式逻辑时序简单、数据吞吐量大，但信号线数量多，在距离较近处理器之间交互数据采用并行方式；而对于需要长距离传输的信号，则采用串行方式。背板数据交换采用串行和并行总线相结合的方式，背板总线拓扑结构如图5所示。这种方式可以适应弹上任务与数据传输需求，兼具功能电路的监测功能，该方式的特点在于高效率的传输协议、适中的传输速度、较小的电路规模，优点则是电气系统数据结构清晰、扩充性好、便于故障检测和功能维修。

图5 背板总线拓扑结构图Fig.5 Topology structure of backplane bus

高速1553B线缆部分采用的是单线形式，每根线都有独自的屏蔽层，这样的设计方式可以很好地减少信号线在传输过程中受到的干扰。采用单端线的方式还可以很好地减少来自信号线之间的串扰，从而确保信号能量用于传输有效信号。

惯性系统状态监测信号采用的是差分RS422信号线进行传输，紧耦合和差分特性使信号能有效抑制外界噪声干扰。差分信号可以使得信号在返回路径中不受传输线特性阻抗的影响，从而抵抗信号的反射和突变。

背板总线设计特点如下：1）背板总线的最大传输速率不低于1Mbps；2）可支持多个远程终端，支持一主多从分布式监测采集目标；3）既可作为内部总线，也可用于外部通信总线接口；4）监测模块可同时监控多模块，对模拟量、状态量、控制量等信号实时上传，对回路控制律、精度补偿量、标定参数等数据下发。

3.3 高速传输线的阻抗设计

背板传输线的阻抗区别于电阻、电容和电感的特性，特性阻抗是传输线的一项重要指标，根据发送端和接收端的收发特性来评估电气背板传输线的阻抗。当信号传输线源端和负载端的阻抗不匹配时，信号会进行反射从而产生振铃，信号的反射引起的信号叠加会造成电压过冲。为了检查背板传输线的阻抗满足情况，需要利用时域反射仪对PCB板、FPC传输线、连接器以及线缆的阻抗进行测量。

混合背板中，阻抗设计环节包括PCB板及过孔、FPC传输线、电连接器和线缆等。在设计中需要对传输通道的阻抗变化进行评估，降低阻抗的变化量，并避免传输路径上产生较大的阻抗突变，使传输路径的阻抗做到相对一致。不同电路板之间的阻抗测试结果如图6所示。

控制阻抗首先可以在设计和生产PCB时进行，常用50Ω来控制。对传输速率较高的高速串并信号，其阻抗允许偏差应控制在10%以内；而对于传输速率较低的单端线，其偏差可以稍大一些。板级设计优化后，还可以采用的手段是添加分立元件，使输入或输出阻抗与信号匹配，以此消除一次或二次反射。常见的阻抗匹配有：戴维南匹配、串联匹配、并联匹配和交流匹配。

图6 阻抗测试结果Fig.6 Test result of impedances

3.4 背板的电磁兼容优化

背板电路的设计应根据惯性系统的EMI性质和低频特性来考虑电子设备的EMC设计。设计中尽量抑制干扰源的电磁辐射，切断电磁干扰的耦合通道，提高敏感设备的抗干扰能力。针对不同对象，采用接地、滤波、屏蔽、隔离等方法实现电磁防护。实际设计中，对于噪声耦合采用远端单点接地；在电源线、控制线、信号线的端口，采用低通滤波来抑制差模、共模干扰；对于电路箱体不连续导电的缝隙、孔隙等带来的电磁泄露，应该采用导电材料进行密封屏蔽设计。

4 背板信号的传输串扰分析

串扰的大小与传输线之间的距离有关，距离越近，受到的干扰越大。串扰的评估手段有频域和时域两种，频域串扰评估手段分为S参数、插入损耗偏差、串扰功率和、回波损耗等，而时域中的串扰评估办法主要包括阻抗评估、眼图、串扰噪声、误码率等。本文主要以S参数和眼图来分析高速信号背板设计的合理性。

4.1 背板频域的S参数仿真

S参数表征传输通道的频域特性，反映了被测信号在每个频点上的传输、反射和串扰的情况，S参数值的大小跟传输介质的损耗、铜箔的损耗以及阻抗的一致性有关系。S参数是从能量角度来分析传输损耗和回波损耗的，传输损耗指信号从起始端经过传输路径传入到目标端的能量损耗，而回波损耗指信号在传输路径上被反射回的能量损耗。信号的传输路径包括不同的功能子板、刚挠背板、屏蔽连接线缆、接插件等，因此整个链路的S参数需要以各段S参数为参考。

以监测总线的温度通信接口为例，信号走线的链路通道如图7所示。全部链路通道包括：温度信号起始端（TX）—走线（温度采集板）—接插件（温度采集板）—走线（背板）—FPC走线—走线（背板）—接插件（背板）—走线（监测板）—温度信号终止端（RX）。

图7 信号走线的链路通道Fig.7 Link channel of signal wiring

根据实际的PCB设计文件，结合立体信号走线路径，分别针对每个通道环节，利用仿真工具SIwave进行S参数的提取。最终将参数导入仿真工具HFSS中，建立三维走线模型，进一步对三维结构进行扫频分析，得到整个链路的S模型。HFSS能对任意三维立体走线进行频域分析，并针对背板功能板、过孔、接插件等薄弱环节进行优化。

图8为监测总线在100kHz频点的插入损耗与回波损耗结果。从测试结果来看，在100kHz频点上，传输通道的最大损耗为-9dB，而最小的损耗为-2dB。

4.2 背板时域的眼图分析

眼图是通过将连续采样的数据段进行重叠覆盖形成的，它以图形的形式反映数字信号的整体特征。眼图分析的常用参数有：眼高、眼宽、眼交叉比和平均功率等。眼图直观地反映了信号的串扰、高频损耗、开关噪声、信号反射等，因而成为观测高速数字信号通信链路信号质量的有效办法。

为了对高速串行信号进行眼图分析，需要利用高带宽示波器进行信号测量，再将测量得到的信号波形叠加成眼图。泰克示波器DPO7104C上带有眼图及抖动分析软件DPO，利用该软件可以得到信号的眼图、抖动及抖动分离结果、浴盆曲线等。对于时钟信号通道的信号分析，利用示波器测试时钟起始点到终点的眼图对比，直接就可以反映出时钟信号的传输质量。但是，对于无源通道的眼图分析，应从通道起点接入信号源，示波器接到信号通道的终点，这样被测信号将按时间叠加成眼图，如图9所示。

图8 通信链路的测试结果Fig.8 Test result of signal link

图9 眼图的测量结果Fig.9 Measurement results of eye diagram

对于信号眼图的优化，主要包括以下几个方面：走线长度和宽度、信号有效屏蔽、板材的介电常数、信号的均衡处理、信号间的串扰影响。

5 背板的测试与验证

本文根据惯性系统的电气系统构架，并结合多种背板优化措施，设计了基于高速信号传输的背板电子系统，设计考虑到了通信链路阻抗的连续、信号完整性的回流路径、高速信号的串扰和辐射抑制等问题。

相对于传统惯性系统装配的明线焊接过程，本文设计的背板电子系统的装配时间节约了80%，省略了电装焊接和现场检验的过程。调试阶段具备自动化测试能力，提高了调试效率，保证了测试质量，降低了误操作概率。

刚挠电气背板的叠层为12层，其中第2层、第5层、第8层、第11层为完整的地层，铺铜厚度均为1oz。优化前后的电路箱对比如图10所示。

图10 背板改进前后对比图Fig.10 Comparison of backplane before and after improvement

电气背板连接所有各功能单板、惯性器件及执行机构，信号类型复杂、种类繁多，电磁兼容性能较差。本文针对以上问题，研究了背板的电磁兼容性、信号完整性和电源完整性，新设计的刚挠电气背板使得电路规模合理化、紧凑化。通过实践表明，该设计方法提升了电路规模的集成度，缩小了整个产品的体积，为后续新型号的新惯性产品设计提供了参考。

6 结论

本文提出了一种惯性系统电气背板的设计方法，分别从模块化分、电源分配、电气连接、阻抗设计、电磁优化以及串扰优化等方面对背板进行设计。总线板的设计需要重点考虑：信号组成和总线驱动方式、高速信号传输的质量、电磁辐射及共模抑制、电源的分配以减小地平面的噪声、规划信号互连以解决信号完整性问题。

惯性系统电气刚挠背板的设计完成了对背板的功能、性能、可靠性、稳定性等性能的测试和验证；自动化的电路网表检验省去了印制板间的明线焊接过程，提高了走线的正确性。在刚挠背板的生产调试阶段，主要技术指标为：各个电源输出、频率稳定性、背板的数据通道导通、背板数据交换的性能。经实践验证，本文提出的设计方法实现了电路板的自动化测试，提高了测试质量和测试效率。