肖文光 陳之濤

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

某無人機(jī)載雷達(dá)電源模塊傳導(dǎo)發(fā)射EMC設(shè)計(jì)

肖文光1,2陳之濤1,2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088；2.孔徑陣列與空間探測(cè)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

CE102是無人機(jī)載雷達(dá)內(nèi)場(chǎng)電磁兼容性測(cè)試重要項(xiàng)目之一，目的是定量測(cè)試?yán)走_(dá)電源線10kHz～10MHz頻段內(nèi)對(duì)外騷擾強(qiáng)度。針對(duì)某無人機(jī)載雷達(dá)電源模塊在內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行CE102測(cè)試中多點(diǎn)超標(biāo)的問題，在說明內(nèi)部電路原理基礎(chǔ)上對(duì)存在的干擾源進(jìn)行了分析，根據(jù)電磁干擾基本原理有針對(duì)性地采取了一系列干擾源抑制措施和耦合抑制措施，改進(jìn)后的電源模塊傳導(dǎo)發(fā)射電平在0.5～10MHz有超過30dB的下降，并通過了CE102測(cè)試。所采用的傳導(dǎo)抑制措施容易實(shí)施且具有通用性，為類似機(jī)載電子設(shè)備工程設(shè)計(jì)提供了參考。

傳導(dǎo)發(fā)射；EMC；干擾源；CE102

0 引言

電磁兼容(Electromagnetic Compatibility，簡稱EMC)是指同一電磁環(huán)境中的各種用電設(shè)備都能正常工作而互不干擾達(dá)到彼此“兼容”的狀態(tài)。隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)所承載的電子設(shè)備越來越多，無人機(jī)載雷達(dá)所處的電磁環(huán)境也越來越惡劣。評(píng)價(jià)無人機(jī)載雷達(dá)是否先進(jìn)的標(biāo)志，不再單純地追求作用距離遠(yuǎn)、跟蹤精度高、監(jiān)測(cè)范圍廣等指標(biāo)，而是要看雷達(dá)在復(fù)雜機(jī)載電磁干擾環(huán)境中電磁兼容性能，既不能對(duì)其他電子設(shè)備造成干擾，也要能抑制外來的電磁干擾[1]。電磁兼容問題一旦出現(xiàn)，輕則引起雷達(dá)或其他任務(wù)載荷性能下降，重則導(dǎo)致雷達(dá)等任務(wù)載荷無法同時(shí)工作，甚至危及無人機(jī)的安全，因此無人機(jī)載雷達(dá)的電磁兼容設(shè)計(jì)必須貫穿研制全過程，并按照軍用裝備電磁兼容設(shè)計(jì)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范開展驗(yàn)證。本文針對(duì)某無人機(jī)載雷達(dá)電源模塊在CE102項(xiàng)目(10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射)測(cè)試中出現(xiàn)的超標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行深入分析，探究傳導(dǎo)發(fā)射的抑制措施。

1 問題描述

該無人機(jī)載雷達(dá)電源模塊負(fù)責(zé)將載機(jī)提供的115V/400Hz交流電轉(zhuǎn)換成48V/12V直流電壓給雷達(dá)的接收機(jī)、頻綜器、數(shù)字陣列模塊等設(shè)備供電。在對(duì)該電源模塊進(jìn)行電磁兼容測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在CE102項(xiàng)目的測(cè)試時(shí)出現(xiàn)超標(biāo)點(diǎn)，其測(cè)試曲線如圖1所示，為方便對(duì)照，本文僅給出了L線的測(cè)試曲線，N線的測(cè)試曲線基本與L線一致。在圖1中，橫坐標(biāo)是頻率，單位是Hz，縱坐標(biāo)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸，是用分貝方式表示的傳導(dǎo)干擾電平，單位是dBμV，中間紅色折線為CE102測(cè)試要求的極限值?？梢姡撾娫茨K在0.5～10MHz的頻段上存在較多超標(biāo)點(diǎn)。

2 原理分析

該電源模塊主要由整流和儲(chǔ)能電容電路、全橋功率變換電路、二級(jí)整流濾波電路和微控制器組成，原理框圖如圖2所示。整流和儲(chǔ)能電容電路主要將輸入的載機(jī)115V/400Hz交流電轉(zhuǎn)換成直流電壓，并經(jīng)過電容濾波和儲(chǔ)能后輸出給全橋功率變換電路。此處整流電路輸入電流的瞬態(tài)值很高，可達(dá)到其有效值的2～3倍，波形呈現(xiàn)畸變，濾波電容充電瞬間能形成高峰值脈沖電流，并含有不同階次高頻諧波電流分量沿著電路傳導(dǎo)產(chǎn)生干擾，對(duì)機(jī)載交流電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染和干擾。由于開關(guān)頻率較高和電路中分布電感、分布電容的存在，整流二極管在由導(dǎo)通轉(zhuǎn)截止的很短時(shí)間內(nèi)，PN結(jié)內(nèi)的存儲(chǔ)電荷消失會(huì)產(chǎn)生反向浪涌電流，并引起高頻衰減振蕩干擾。

全橋功率變換電路在微控制器PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下完成能量的轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部的核心器件是組成斬波橋電路的四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和高頻變壓器。場(chǎng)效應(yīng)管在來自微控制器的四路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下高速開通和關(guān)斷，產(chǎn)生很大的du/dt信號(hào)和di/dt信號(hào)。變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，所以這些瞬變信號(hào)會(huì)產(chǎn)生輻射干擾。高頻變壓器在電路中起到電壓變換、隔離及能量轉(zhuǎn)化的作用，和場(chǎng)效應(yīng)管一樣工作在高頻狀態(tài)。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器漏感的存在會(huì)使初級(jí)、次級(jí)線圈中生成反電動(dòng)勢(shì)E=-L(di/dt)，并疊加在關(guān)斷電壓上形成尖峰噪聲，該值與場(chǎng)效應(yīng)管漏極的電流變化率di/dt成正比，與漏感量成正比。這個(gè)尖峰噪聲輕者造成干擾，重者可能擊穿場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管[2]。此外在高頻情況下變壓器隔離不是絕對(duì)的，由于變壓器對(duì)外殼存在分布電容，為高頻噪聲提供了一條初次級(jí)之間傳輸?shù)耐ǖ溃蚨儔浩髦車a(chǎn)生的電磁波容易在鄰近的引線上耦合形成共模干擾。

微控制器是電源模塊的控制核心，主要負(fù)責(zé)各級(jí)整流電路采樣控制、全橋功率變換電路驅(qū)動(dòng)控制以及電源管理。由于微控制器容易受到電源內(nèi)部和外部的電磁干擾，所以屬于電源模塊的敏感部分，需要采取一些電磁干擾防護(hù)措施。

二級(jí)整流濾波電路的輸入是全橋功率變換電路內(nèi)部高頻變壓器次級(jí)線圈輸出的交流電壓信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部四個(gè)整流二極管組成的整流橋和濾波電容后輸出直流48V/12V給雷達(dá)的接收機(jī)、頻綜器、數(shù)字陣列模塊等設(shè)備供電。和前一級(jí)整流電路一樣，濾波電容充電瞬間形成的高峰值脈沖電流，整流二極管快速關(guān)斷時(shí)PN結(jié)內(nèi)的存儲(chǔ)電荷消失產(chǎn)生的反向浪涌電流，都會(huì)形成傳導(dǎo)干擾。

根據(jù)電磁兼容理論，傳導(dǎo)干擾是通過導(dǎo)線傳播、直接浸入其他設(shè)備的，通常包含共模干擾和差模干擾。共模干擾是由于載流導(dǎo)體與大地之間的電位差產(chǎn)生的，特點(diǎn)是兩條線上的干擾電壓電位相同方向相同；差模干擾則是由于載流導(dǎo)體之間的電位差產(chǎn)生的，特點(diǎn)是兩條線上的干擾電壓電位相同方向相反。線路上這兩種干擾通常是同時(shí)存在的，并因線路阻抗的不連續(xù)在傳輸過程中相互轉(zhuǎn)化[3]。按照干擾的頻率不同，差模干擾主要集中在1MHz以下，而共模干擾主要集中在1MHz以上，因此圖1中傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)主要是由共模干擾和差模干擾共同引起的[4]。

3 改進(jìn)措施

干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備是電磁干擾的三要素，是分析一切電磁兼容問題的基礎(chǔ)。與電磁干擾的三要素相對(duì)應(yīng)，抑制干擾源、切斷耦合途徑、保護(hù)敏感設(shè)備也是解決所有電磁兼容問題的基本出發(fā)點(diǎn)[5]。針對(duì)該電源模塊傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)多點(diǎn)超標(biāo)的問題，首先應(yīng)該抑制干擾源，消除直接干擾原因；其次是消除干擾源的耦合，采取措施控制電磁干擾的傳播路徑。下面就抑制電源模塊傳導(dǎo)發(fā)射干擾采取的措施進(jìn)行具體說明。

3.1 干擾源抑制措施

該電源模塊內(nèi)部的主要干擾源有整流二極管、場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管和高頻變壓器，根據(jù)各自干擾特性逐一采取措施。

1)整流二極管

針對(duì)整流二極管在快速關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生反向浪涌電流引起尖峰干擾，選型時(shí)必須選用反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)電流小等特性的二極管。肖特基勢(shì)壘二極管是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，因而產(chǎn)生的電壓尖峰干擾幅度就很小[6]。本設(shè)計(jì)將每個(gè)普通整流二極管更換為兩個(gè)并聯(lián)的肖特基勢(shì)壘二極管去分擔(dān)負(fù)載電流，降低支路電流強(qiáng)度抑制干擾發(fā)射。此外，采用RC電路為每個(gè)整流支路提供旁路，吸收開關(guān)斷開時(shí)的多余能量。經(jīng)過試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的吸收電阻為5Ω/5W，吸收電容為0.1μF/250V。

2)場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管

為減小場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)管在PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的du/dt信號(hào)和di/dt信號(hào)，抑制EMI干擾，本設(shè)計(jì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了優(yōu)化，采用了一種無源無損緩沖電路，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通和零電壓關(guān)斷，不但降低了尖峰電壓，還減少了開關(guān)損耗，緩沖電路示意圖如圖3所示。電容C1較大，用于存儲(chǔ)每個(gè)周期來自電感L9和電容C2的能量，電容C1、C2和二極管D2組成了開關(guān)管S1的零電壓電容電路及能量恢復(fù)電路；電感L8電感值較大，用于對(duì)電容C1中的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，各元件參數(shù)的取值如下：L9=20μH，L8=75μH，C2=20nF，C1=1μF，電容C2的另一端與平行相對(duì)橋臂上的該電容連接在一起。

③高頻變壓器

漏感是由于某些初級(jí)(次級(jí))磁通沒有通過磁芯耦合到次級(jí)(初級(jí))而產(chǎn)生的，是開關(guān)電源干擾的主要來源之一[7]。為減小變壓器漏感的影響，設(shè)計(jì)中重新選用了罐型磁芯變壓器，由于罐型磁芯可以把初次級(jí)的線圈都封閉在磁芯內(nèi)部，對(duì)屏蔽EMI干擾有屏蔽作用。為克服高頻開關(guān)情況下變壓器對(duì)外殼存在的分布電容，設(shè)計(jì)中采用在逆變橋電路和高頻變壓器初級(jí)線圈之間串聯(lián)LC諧振網(wǎng)絡(luò)的方法，應(yīng)用電路如圖4所示。經(jīng)過試驗(yàn)，本設(shè)計(jì)的諧振電感L5為10μH，諧振電容C6為100pF。

3.2 耦合抑制措施

下面著重從電源輸入端濾波法、接地與屏蔽法兩個(gè)方面對(duì)設(shè)計(jì)中采用的抑制干擾耦合的措施進(jìn)行闡述。

1)電源輸入端濾波法

電源線濾波器允許直流或工頻(50Hz、400Hz)交流信號(hào)通過，對(duì)頻率較高的其它信號(hào)和干擾信號(hào)有較大的衰減作用，同時(shí)具有互易性，既可以抑制載機(jī)傳入電源模塊的傳導(dǎo)干擾，也可以抑制電源模塊將自身產(chǎn)生的干擾反向傳入載機(jī)其它用電設(shè)備[8-9]。為同時(shí)抑制共模干擾和差模干擾，電源線濾波器通常由差模濾波電路和共模濾波電路串聯(lián)組成。本設(shè)計(jì)采用的電源交流輸入端濾波器電路如圖5所示。圖5中電容C1、C2和電感L2、L3用于抑制差模干擾，L2、L3的鐵芯選用不易飽和及M-F特性優(yōu)良的鐵芯材料，C1、C2采用聚酯薄膜電容，具有足夠的耐壓值；電感L1和電容C3、C4用于抑制共模干擾。經(jīng)過反復(fù)參數(shù)選配，圖中元件選值如下：C1=C2=0.1μF，C3=C4=0.01μF，L2=L3=1mH，L1=15mH。

2)接地與屏蔽法

在電磁兼容設(shè)計(jì)中，為取得抑制電磁干擾的更好效果，接地和屏蔽往往配合使用。地線的含義是為各電路或系統(tǒng)提供一個(gè)參考的等電位點(diǎn)或面，也是信號(hào)回流的低阻抗路徑。屏蔽的目的是用屏蔽材料將設(shè)備與外界隔離開來，反射或吸收衰減穿越屏蔽體的干擾電磁波。為抑制電源線傳導(dǎo)輻射干擾，本設(shè)計(jì)接地與屏蔽采取的具體措施如下：

如圖6所示，電源線采用屏蔽電纜并加防波套，并要求制作電纜的屏蔽層連續(xù)，沒有截?cái)嗲揖鶆蚓o密，屏蔽層與航空插頭360度環(huán)接，以保證屏蔽層阻抗分布均勻。清除了航空插座周圍的鍍漆并打磨光滑，增加導(dǎo)電性襯墊，通過緊固螺紋保證航空插頭、插座、電源模塊金屬殼體三者充分搭接來減小搭接電阻，增強(qiáng)屏蔽層對(duì)傳導(dǎo)干擾的抑制效果。

改進(jìn)電源模塊內(nèi)部電路板接地設(shè)計(jì)，將原來的浮地設(shè)計(jì)改為電路板地與機(jī)殼地一體化設(shè)計(jì)，這樣做的好處是使電源模塊內(nèi)部輻射的干擾通過金屬外殼接地得到屏蔽和吸收，避免輻射干擾通過電源接口形成新的傳導(dǎo)干擾。

在高頻變壓器初次級(jí)線圈之間增加一屏蔽層并接地以抑制電場(chǎng)耦合，同時(shí)局部對(duì)高頻變壓器加上屏蔽罩。電源模塊蓋板四周加裝了導(dǎo)電泡棉，同時(shí)改用小間距螺釘孔固定，以提高殼體屏蔽性能。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

CE102試驗(yàn)測(cè)試原理如圖7所示，EUT是待測(cè)設(shè)備，LISN是線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，作用是隔離115V交流電網(wǎng)中的無用干擾信號(hào)并耦合待測(cè)設(shè)備電源線上的有用干擾信號(hào)。LISN耦合的干擾信號(hào)經(jīng)衰減器后進(jìn)入測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行掃描顯示，并送數(shù)據(jù)記錄裝置保存，試驗(yàn)測(cè)試按照《MIL-STD-461D》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在設(shè)計(jì)上采取上述改進(jìn)措施后，重新測(cè)試電源模塊的CE102項(xiàng)目結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，改進(jìn)后的電源模塊傳導(dǎo)發(fā)射電平在0.5～10MHz都降到了合格曲線以下，其中在850kHz有超過30dB的下降，取得了良好的試驗(yàn)效果。

5 結(jié)語

電磁兼容三要素是分析和解決EMC問題的根本所在，本文在分析傳導(dǎo)輻射干擾源的基礎(chǔ)上有針對(duì)性地提出了一系列改進(jìn)設(shè)計(jì)措施，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了措施有效性。可以看出，電磁兼容設(shè)計(jì)涉及了電訊、結(jié)構(gòu)、工藝等多個(gè)專業(yè)，要想產(chǎn)品具有好的EMC特性，必須在方案設(shè)計(jì)時(shí)就盡早做系統(tǒng)仿真分析，盡可能將潛在的EMC問題在設(shè)計(jì)之初提前消除。

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EMCDesignofConductedEmissionofPowerModuleinUAV-borneRadar

Xiao Wenguang1,2, Chen Zhitao1,2

(1. The No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088; 2. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application, Hefei 230088)

CE102 is one of the most important items in depot test of UVA-borne radar, purpose of the test is to quantitatively measure external interference intensity of radar power line within 10kHz～10MHz band. CE102 test results of a UVA-borne radar power module show that conducted emission at multiple test points exceeds the limits. To suppress the conducted emission, internal circuit principle and the interference sources are analyzed. Based on basic principle of electromagnetic interference, a serial of interference source suppression and coupling suppression measures are taken. After improvement, the conducted emission is reduced by more than 30dB in frequency range of 0.5MHz to 10MHz, and the module passes the CE102 test. The conducted emission suppression measures are easy for implementation and have versatility, which can provide reference for engineering design of airborne electronic equipment.

conducted emission; EMC; interference source; CE102

2017-05-18

肖文光(1980-)，男，工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TN952

A

1008-8652(2017)03-059-05