某星載電子設備電磁干擾問題分析與探討

張興國 周新發 江耿豐 董暘暘 田宇斌

北京控制工程研究所 ,北京 100190

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某星載電子設備電磁干擾問題分析與探討

張興國 周新發 江耿豐 董暘暘 田宇斌

北京控制工程研究所 ,北京 100190

隨著航天電子產品的功能日趨復雜，產品的電磁兼容問題也越來越突出，對電磁兼容必須嚴格設計。本文介紹了某星載電子設備在系統測試中出現的一例電磁干擾問題，分析了問題原因并提出解決方法，這對同類電子設備電磁兼容設計具有重要參考意義。

星載電子設備;電磁干擾(EMI);系統復位

電子設備的電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility，EMC)，主要是指電子設備在其所處的電磁環境中按設計要求正常運行的能力，且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾(Electromagnetic interference，EMI)，即信號與干擾共存的能力。滿足EMC要求的電子設備既不會影響其它設備的正常運行，也不會受其它設備工作的影響而出現性能下降或故障。

隨著電子技術的發展，電子產品功能日益強大，設計越來越復雜，體積、質量及功耗都不斷下降。航天器電子產品對體積，質量和功耗的限制十分苛刻，而對產品高性能的追求不斷提高，這就使得航天電子產品的功能日趨復雜，安裝密度越來越高，使產品內部及產品間的EMC問題變得十分突出。EMC設計的重要性越來越明顯，加強對產品EMC設計已成為一個現實問題。

某星載電子設備是適應衛星小型化、集成化的需求，將多種功能線路組合在一起，設備內部干擾源和敏感器件多，信號電纜傳輸線密集，空間小，相互間很容易造成干擾。如果干擾效應嚴重，將導致系統失靈，甚至可能產生嚴重的故障，所以電磁兼容性是該設備的一項重要指標。

1 某星載電子設備組成

某星載電子設備組成如圖1所示，包括DC/DC模塊、敏感器數據采集單元、處理器單元(包括CPU板和局部控制單元)、部件供配電模塊、功放驅動輸出模塊等。敏感器數據采集單元實時采集衛星各敏感器測量部件的信息并送處理器單元，處理器單元對敏感器數據集中處理，控制衛星執行機構動作并對各部件供配電進行控制。

設備由各功能線路板組成，機箱內線路板之間的信號通過一塊總線板實現互連，而各線路板對外的輸入輸出信號通過電纜導線連接到機箱外接插件，受小型化空間限制，設備內外連接的電纜導線被捆扎在一個電纜束里，如圖2所示。

圖1 某星載電子設備組成

圖2 某星載電子設備組成

2 EMC問題介紹

本星載電子設備已成功應用于多顆衛星，功能性能一直滿足要求，近年來在某型號系統測試時，當設備為星敏感器(28V)加電后，發出動量輪加電(28V)指令時，處理器模塊出現CPU系統(硬件)復位，多次試驗并更換CPU板都出現該問題。復位電路原理框圖見圖3所示，CPU板處理器為TSC695F，其復位源包括：上電復位、地面(遙控)復位和看門狗復位。在設計時為實現“線或”功能和防止串電，采用了較多的二極管用于隔離各路復位通道。

CPU發生系統復位的直接原因是處理器TSC695F的SYSRESET*管腳收到了有效的低電平信號。而按照TSC695F處理器手冊的說明，只要SYSRESET*的低電平寬度超過4個時鐘周期(CPU板為400ns)就能導致處理器有效復位。而通過試驗測得處理器的SYSRESET*管腳在負脈沖寬度為40ns的時候，CPU有很大的概率實現正常復位。

圖3 復位電路圖

CPU發生系統復位時的復位端波形，如圖4所示，由多個連續的高頻負脈沖組成，且脈寬>400ns，足以使CPU芯片發生復位。復位線路顯然是接受到高頻干擾信號導致錯誤復位信號。

圖4 CPU芯片復位端波形

3 EMC問題分析

電子產品內部EMC問題，目前還沒有統一的評價標準及測試方法，這類問題在產品設計、生產和試驗中大部分會得到解決，但有些EMC設計缺陷僅在某些特定條件下才表現出來，或出現的概率極小。

構成電磁干擾必須具備3個要素，即干擾源、受干擾對象(敏感部位)及兩者間耦合路徑。電磁干擾的基本模型就是這3個環節的串聯，如圖5所示。

圖5 電磁干擾基本模型

解決和降低電磁干擾必須從上述3要素著手，抑制干擾源，切斷耦合路徑和保護敏感設備。

本次發生的CPU復位問題是一個典型的EMC問題，系統中同時存在干擾源、傳播途徑和敏感點，電磁干擾信號由干擾源出發，經由傳播路徑到達敏感點產生干擾，干擾源、傳播途徑和敏感部位作為電磁干擾3要素，只有同時具備這3者才會出現EMC問題。因此，對這一故障的原因分析從干擾源、傳播路徑和敏感部位3方面進行。

1) 干擾源

設備在給動量輪加電的瞬間，供電線路上會出現一個大小15A左右的浪涌電流，并且該浪涌電流的變化率di/dt達到了106這一數量級。當為動量輪供電的繼電器閉合時，由于繼電器本身的特性，其觸點會發生彈跳和拉弧現象，繼電器觸點的彈跳會導致28V電源母線上出現一連串尖峰脈沖，而拉弧現象則會產生電火花，這種電火花所產生的電磁輻射是一種全頻段的電磁干擾信號，會通過繼電器機殼向空間進行輻射。

通過上述分析，本問題的干擾源為一種瞬態干擾(時間很短，但幅度較大的電磁干擾)，且包括了電快速脈沖(EFT)和浪涌(SURGE)兩種形式。動量輪加電所產生的浪涌電流在通過繼電器時，繼電器觸點跳動所產生的干擾和拉弧所形成的電磁輻射共同構成了干擾源，而動量輪加電時所產生的浪涌電流是干擾信號主要的能量來源。

2) 傳播途徑(耦合路徑)

耦合路徑是指部分或全部電磁能量從規定源傳輸到另一電路或裝置所經由的路徑。而電子設備內部常見的傳播路徑有空間輻射耦合和導線間傳導耦合。動量輪干擾信號的直接傳播路徑是28V電源母線和地，而受擾的CPU復位電路則是由二次電源產生的5V網絡，這2個電源網絡之間并不存在直接通路。

設備內部線路板與外接插件之間的導線連接在機箱內部是綁扎在一起，線纜束中不僅有28V供電線及其回線，還包括了二次電源的供電線及其回線與大量信號線纜，這些線纜之間相互綁扎在一起極易產生干擾信號的耦合。

對于干擾信號而言，其傳播路徑主要依靠的是導線間廣泛存在的分布電容和分布電感，因此，可以將干擾信號的傳播路徑簡化為如圖6所示的電路。

圖6 干擾傳播路徑模型

圖中C1是28V電源母線對地(機殼)的等效電容，L是系統中各種線纜對地的等效電感，C2則是5V信號網絡對地(機殼)的等效電容，R為這一等效電路的輸出阻抗。

干擾信號從動量輪和繼電器出發，進入28V母線，由于干擾信號的di/dt很大,因此會在電容C上產生很大的dv/dt，進而在電容后端感應出相應的干擾。線纜與地之間存在電感L，電路與地之間存在電阻R，干擾信號無法得到有效泄放就會只能通過沿該路徑向用戶電路傳播，當用戶電路對干擾信號抵抗能力較弱時，就會受到干擾。

3) 敏感部位

敏感部位是指容易受到電磁干擾影響，并能產生不可避免性能降級的線路部位。對于本次發生的CPU復位故障，其敏感部位為復位電路，原因1：在檢查CPU復位信號SYSRESET*走線時，發現從上一級54AC14輸出(上拉10K電阻)到CPU復位輸入端的印制導線長度為150mm，對于40ns脈寬即可能響應的SYSRESET*信號，150mm的印制板走線構成了一個很大的回路面積，使得回路信號對外界很敏感。原因2：復位電路中存在3處對電源阻抗較高的點：①上拉100K電阻；②下拉30K；③上拉10K電阻，當干擾信號進入這些點，由于沒有低阻釋放回路，所受干擾信號會沿復位電路放大和傳播，最后進入CPU處理器的SYSRESET*管腳，造成處理器發生系統復位。

4 解決措施

EMC問題是一個由干擾源、傳播途徑和敏感點3要素所共同構成的復雜問題，當3要素中的任何一個缺失時，EMC問題都不會發生。正是基于這一點，通過修改復位電路增強其抗干擾能力，消除干擾信號對其影響，這也是最行之有效和快速的解決辦法。動量輪作為干擾源屬于外部環境，而構成傳播路徑的機箱電纜布線，短時間內也是無法更動和驗證。

根據CPU發生系統復位時的復位波形來看，干擾信號的頻率很高，因此,可以采用高頻接地的方法在不破壞原有電路對地連接方式的前提下為干擾信號建立釋放通路，同時將復位電路中2個敏感器點的對電源阻抗較大的電阻阻值降低，健壯了復位電路。更改后的電路如圖7所示：將第一級門輸入的100kΩ上拉電阻調整為10kΩ，對地增加1個200pF電容，實行高頻接地，將第二級門輸入的30kΩ下拉電阻調整為5.1kΩ，對地也增加1個200pF電容，同時還更改CPU復位輸入端阻抗，將上拉電阻阻值由10kΩ改到1kΩ。

圖7 更改后的復位電路圖

復位電路更改后，在系統環境進行多次測試試驗，CPU沒有再發生系統復位故障，通過測量CPU處理器復位端波形，如圖8所示，干擾信號幅度很小，其影響可忽略，證明采取的措施是有效的。測量電源VCC(+5V)波形，如圖9所示，VCC幅值波動微小，保證了整機可靠工作。

圖8 更改后測得的復位端波形

圖9 動量輪加電時VCC(+5V)波形

5 結論

星載電子設備由于其復雜的組成和使用環境，電磁干擾產生的因素以及傳遞途徑十分復雜。因此，各種措施的有效性也隨之而異，指望一種既簡單又萬能的方法是不現實的。需要在開始設計時就著手考慮電磁兼容設計，并始終貫穿在元器件選擇、電路設計、電纜布線和屏蔽接地等方面。本文結合電磁干擾3要素，對某星載電子設備電磁干擾問題進行分析和探討，其分析思路對其它星載電子設備EMC設計也具有參考價值。

[1] 王志成.星載電子設備電磁兼容接地設計[J].無線電工程, 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.艦船電子設備的電磁兼容性技術實踐[J].艦船電子對抗,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] 鄭軍奇.EMC電磁兼容設計與測試案例分析(第二版)[M].北京:電子工業出版社,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

張興國(1978-)，男，江蘇灌云人，碩士，工程師，主要研究方向為星載計算機；周新發(1974-)，男，廣西灌陽人，碩士，研究員，主要研究方向為星載計算機設計及測試；江耿豐(1982-)，男，浙江溫嶺人，碩士，工程師，主要研究方向為星載計算機和容錯技術；董暘暘(1985-)，男，四川雅安人，工程師, 主要研究方向為星載計算機；田宇斌(1983-)，男，山西榆社人，工程師, 主要研究方向為星載計算機及可靠性設計。

1006-3242(2014)04-0086-05

TP338.8

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