座艙顯示器電磁兼容設計

太原航空儀表有限公司 趙 巖

1 引言

隨著電子技術的發展、電子設備應用的普及，電子系統的規模越來越龐大，安裝越來越密集，設備內部元器件密度也越來越高。同時，設備間的數據通信頻率也越來越高。使得電子設備之間、設備內部電路之間的干擾問題越來越突出。特別是在現代飛機座艙儀表，普遍采用電子儀表，并且高度集中，各設備的電磁兼容（干擾與抗干擾）問題異常突出，本文主要的研究對象是飛機座艙顯示器的電磁兼容設計，講述了常用的設計思路以及問題解決方法。

2 電磁兼容相關理論

電磁兼容性（EMC)是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力。通俗的來講，是在有限的空間、時間和頻譜資源條件下，各種用電設備（廣義的包括生物體）可以共存、且不會引起降級的能力。

電磁兼容涉及電磁能量的發射、傳輸和接受，這三個方面構成電磁兼容問題的基本框架。源產生輻射，傳輸途徑或耦合將輻射能量傳遞到接受者，即“干擾源→干擾途徑→被干擾對象”構成了電磁兼容問題的三要素。這三要素同時存在，電磁問題才會出現，而解決電磁兼容問題的方向也在這三要素中，也就是通常使用的濾波、屏蔽、接地。

3 電磁兼容設計

3.1 濾波設計

分離信號、抑制干擾時濾波器的基本功能，常用的濾波器件包括電阻、電容、電感和磁珠磁環（高頻信號使用），通過這些器件可以構成無源低通網絡，也就是濾波器。

在低頻電源濾波時，要考慮到產品開關電源產生的噪聲干擾，但是一般電源線上濾波器在超過30MHz時，性能開始變差，干擾會造成空間耦合。這時需要進行以下改善：

（1）濾波器的連線要按照電路結構向一個方向布置，在空間允許的情況下，電感和電容保持一定距離，必要時進行隔離，減少耦合；

（2）控制電感寄生電容，必要時，可以多個電感串聯，電容的引線要盡量短；

（3）有效的接地，必須保證電容、殼體的有效接地。

在高頻信號濾波時，要考慮PCB上信號的時鐘頻率以及信號完整性要求，進行以下改善：

（1）采用大面積銅皮作電源面（濾波后的干凈電源），替代總線形式的電源走線，同時將電源面靠近接地平面；

（2）信號走線時，避免天線效應和阻抗突變情況，避免出現磁平面切割走線；

（3）合理使用旁路電容和去耦電容；

（4）避免信號地（濾波后的地平面）和電源地（濾波前的地平面）出現共地干擾，使濾波失去作用。

3.2 屏蔽設計

屏蔽就是對兩個空間區域進行電磁隔離，控制電場、磁場和電磁波對外輻射，同時防止自身受到的干擾。屏蔽針對的干擾不同，采取的措施也不同，對于磁場屏蔽，也就是對低阻抗源的屏蔽，為磁場提供一條低磁阻通路，使屏蔽體內部空間的磁場大大減少；對于電場屏蔽，也就是在干擾源和感受器之間插入銅、鋁之類的良導體，其目的就是要減少兩者之間的分布電容。

而對于座艙儀表，直接安裝在儀表板上，一般是考慮電磁屏蔽，也就是用屏蔽體來阻止電磁場在空間傳播，屏蔽的效果與電磁場的性質以及屏蔽體自身的特性有關。電磁屏蔽設計時應注意以下幾點：

（1）判斷干擾源、敏感設備及耦合方式，確定屏蔽對象。一般來說高電平電路時干擾源，低電平電路時敏感設備。在儀表設計時，電源轉換電路被當做干擾源，需要在整個線路板上進行鋪銅（殼體地）進行屏蔽，高頻信號如視頻信號等容易受干擾的信號盡量與電源進行空間上的隔離或者保持一定的空間距離；判斷產品容易出現屏蔽泄露的地方，由于座艙儀表是作為顯示終端和進行人機工效的輸入端，在屏蔽時，前面顯示模塊和操作部件使整個產品機體無法形成一個完整的屏蔽腔體，屬于容易造成屏蔽泄露的地方，所以在拼接和走線部分注意在保證足夠拼接面的情況下，通常可以使用金屬絲網襯墊(帶橡膠芯的和空心的)、導電橡膠(不同導電填充物的)、指形簧片和導電布等幾種方式對拼接縫隙進行處理。

（2）儀表結構避免不必要的拼接，由于目前通訊信號頻率越來越高，信號波長和拼接縫隙變的可比擬（約十分之一），干擾通過縫隙可干擾到內部電路或者輻射到外部。

（3）對于高頻信號，電纜屏蔽采用3600屏蔽，保證屏蔽的可靠性。

（4）屏蔽體需要有效的接地。

3.3 接地設計

飛機上電子設備的接地方式是將機體作為等位面，所有組件的殼體都連接到飛機的基本結構上，可以使由于靜電感應而在機殼上積累的大量電荷通過機體釋放，同時，還能提供電源電流返回通路。

由于飛機上的殼體地是所有設備的公共地，各個設備對地的處理方式也不盡相同，實際上，底線上各點的點位是存在差異的，也就是存在大量地線噪聲。同時，對于高頻信號的地平面，相當于一個交流回路，電流返回通路并不是尋找電阻的最小通路，而是阻抗的最小通路。直流電時，電流在導體界面內均勻分布，交流時，會出現趨膚效應，電流會趨向于導體表面流動，頻率越大，內部的阻性越強。也就是說，交流時，在截面積相同的情況下，扁線要比園線的阻抗要低，因為矩形截面的周長要大于圓截面的周長。接地設計時一般注意以下幾點：

（1）確定產品的地種類，信號地，電源地，大地（安全地、機殼地、屏蔽地、防雷接地）等，各地之間盡量隔離，尤其是機上殼體地干擾較嚴重，要與其他信號地進行隔離；

（2）通常情況下，低頻電路采用單點（并聯和串聯）接地，而高頻電路采用多點接地，這種結構能夠提供較低的接地阻抗，每條地線可以做到很短，并能降低接地導體的總電感；混合接地時兩者的結合，在有些設備中，有高頻、低頻電路，各電路單元內部采用自己的接地方式（多點或單點接地），再將各單元地線采用并聯一點接地接到系統地；

（3）電流總返回其源，要保證每個電流回路都有一個地回路，同時，回路也可能有不同的路徑，每條路徑上的電流幅值不同，這與該路徑的阻抗有關，避免在不想出現電流的路徑上設計成回路；

（4）一旦電流流過有限的阻抗，就會出現壓差，要注意不同地平面的電勢差，避免因電勢不同，造成產品故障；

（5）在設計期間，就考慮接地是解決電磁兼容問題最經濟的方法。

4 問題驗證

某座艙儀表在進行整機EMC試驗時，發現儀表出現復位重啟，在大功率輻射1G頻率左右，畫面出現干擾，并且對電臺通話進行干擾。對產品進行分析如下：

（1）儀表內部具有DVI視頻總線，分辨率為1920×1080，時鐘頻率達到148.5MHz。DVI是通過4組差分線傳輸，單組數據差分線帶寬為1.48G。當干擾頻率與視頻信號帶寬范圍內，會對視頻信號產生較大干擾，電磁波的波長=光速/頻率，1G～4G的對應的波長為30cm～7.5cm左右，而波長與縫隙長度可比擬時（約1/4左右），電磁輻射最敏感，與儀表目前的縫隙長度比較吻合；

（2）目前儀表將電纜的屏蔽層作為信號地，同時與飛機機體相連，失去了屏蔽作用，造成兩面隱患，一是在高頻信號上，整個電纜作為一個天線，對外發生輻射，二是引入的地平面干擾，信號地的電流回路可以通過殼體直接回到飛機的匯流條，而不再經過儀表的濾波電路。

針對以上問題，進行改進，減少儀表的拼接縫隙，采用一體化設計，在有縫隙的地方，增加拼接面積，鋪設導電膠條；儀表的信號地和殼體地進行隔離；在電纜外增加防波套，兩端進行3600屏蔽處理。改進后進行試驗，電磁兼容問題解決。

5 結束語

主要介紹了飛機座艙顯示器的電磁兼容設計。分析了電磁兼容問題中濾波設計、屏蔽設計和接地設計，并對出現電磁兼容問題進行分析處理，通過試驗表明該措施合理可行。

[1]蘇東林,戴飛,謝樹果．系統級電磁兼容量化設計理論與方法[M]．北京∶國防出版社,2015．