濾波電路的電磁脈沖防護效應研究

趙 展，尚逸帆，趙啟龍，韓 瀟，金小萍

（上海宇航系統工程研究所，上海201109）

0 引言

隨著電子產品集成度越來越高，航天器所處的電磁環境亦更加復雜。一旦電磁脈沖干擾導致處理電路的邏輯錯誤，相關電路功能就可能部分或全部失效，這將對航天器的通訊和控制等電氣系統產生致命影響，因此電路的電磁防護能力至關重要[1-3]。

1 濾波電路的防護原理

要探討防護濾波電路對電磁脈沖的抑制與防護原理，可借用“大禹治水”的基本理念來理解問題，從本質上來說就是“疏”與“堵”的理念。在電磁脈沖防護濾波電路中，電容、TVS 器件起到的是對干擾的疏導作用；磁珠、共模電感起到的是阻塞與抑制作用[4-6]。

1.1 互容耦合方式濾波機理分析

互容與互感是2 個電路相互之間的2 種常見耦合方式。由于電容實際是由2 個導體構成，因此2 根導線就構成了一個電容，稱這個電容是導線之間的寄生電容。 由于這個電容的存在，一個導線中的能量能夠耦合到另一個導線上，這種相互之間的耦合稱為電容耦合或電場耦合。

現在假設如下場景的電容性耦合，如圖1(a)所示：電路1 為騷擾源電路，電路2 為敏感電路，C 為導線1與導線2 間的分布電容。

對于容性耦合特性，其電路可等效為如圖1(b)所示的并聯電流源注入模型，電流源模型屬于源阻抗為高阻的耦合模型，防護濾波設計的目的是降低U2的耦合電壓值。

假設電流源的注入電流值是一定的，應用基礎的電路理論知識，此時可以采用相應的濾波電路形式來達成降低U2耦合電壓值的目的，如圖2 所示。

圖1 互容耦合的等效電流源電路

圖2 互容耦合的濾波電路原理分析

在源電流一定、RG2負載阻抗值一定的條件下，U2的大小取決于流過其上面的電流值。在沒有濾波電路時，該電流值取決于RG2與RL2的比值大小，當在2個阻抗之間插入濾波電路之后，如果Zf遠遠大于RL2，且在特定干擾頻率的阻抗條件下，Cf的阻抗值遠遠小于RG2，那么就可以獲得非常低的U2值，濾波電路達到預期目的。

1.2 互感耦合方式濾波機理分析

當一根導線上的電流發生變化，而引起周圍的磁場發生變化時，恰好另一根導線在這個變化的磁場中，則這根導線上就會感應出電動勢。 于是一根導線上的信號就耦合進了另一根導線，這種耦合稱為電感性耦合或磁耦合。互感性耦合也稱為磁耦合，它是由磁場的作用所引起的，互感耦合的原理圖如圖3（a）所示，等效電路圖如圖3（b）所示，根據電路的感應電動勢規則，可獲得被耦合電路的感應電壓值UN=jωMI1。

圖3 互感耦合的等效電路

此時可以采用相應的濾波電路形式來降低R 上的U 值，如圖4 所示。

對于電壓源耦合模型，噪聲在耦合回路上同樣需要滿足基本的電路定律——基爾霍夫定律。此時的目的是降低R 上的U 值，只需要在回路上串聯等效阻抗Zf，當Zf遠 遠大于R 時，耦 合電壓源UN在R 上的 影響就可以最小化。

在無法滿足Zf遠遠大于R 的條件下，可以嘗試在特定的頻率下，使得ZC遠遠小于R2的值，此時也可以同樣達到電路濾波的設計目的。

圖4 互感耦合的濾波電路原理分析

2 常用信號接口的濾波解決方案

根據上文機理分析，給出航天常用RS422、LVDS、CAN、OC 門開關模擬量幾種信號接口的濾波電路，電路可以滿足國軍標GJB 152 的相關測試驗證要求，參數選擇都考慮到各種接口的傳輸特點，對信號傳輸質量無影響。

2.1 RS422 防護濾波電路設計

1）濾波電路實現形式，如圖5所示。

圖5 RS 422 防護濾波電路示意圖

2）參數說明：共模電感型號為510YT，對地電容值為33 pF，TVS 管BV05C。

3）電路差損仿真，如圖6 所示。

圖6 RS 422 濾波電路插損值仿真

2.2 LVDS 防護濾波電路設計

1）濾波電路實現形式,如圖7所示。

2）參數說明：屬于高速信號，單用120 Ω 的共模電感。

圖7 LVDS 防護濾波電路示意圖

3）電路插損仿真,如圖8 所示。

圖8 LVDS 濾波電路插損值仿真

2.3 CAN 接口防護濾波電路設計

1）濾波電路實現形式,如圖9 所示。

圖9 CAN 接口防護濾波電路示意圖

2）參數說明：共模電感型號為510YT，對地電容值為33 pF。

3）電路插損仿真,如圖10 所示。

圖10 CAN 接口濾波電路插損值仿真

2.4 OC 門開關模擬量電路防護濾波設計

1）濾波電路實現形式，如圖11 所示。

2）參數說明：對地電容10 nF，磁珠900 Ω。

圖11 OC 門開關防護濾波電路示意圖

3）電路插損仿真,如圖12 所示。

圖12 OC 門濾波電路插損值仿真

3 濾波電路解決方案驗證測試

3.1 ESD 測試試驗

針對ESD 測試參數進行設置，如表1所示。

表1 ESD 測試參數

ESD 測試試驗布置如圖13—14 所示。

圖13 ESD 靜電放電抗擾度測試布置圖

3.2 輻射敏感度測試試驗

針對輻射敏感度測試參數進行設置,如表2所示。

圖14 ESD 測試實物現場布置圖

表2 輻射敏感度測試參數

輻射敏感度測試試驗布置如圖15—16 所示。

圖15 輻射敏感度項目測試布置圖

圖16 測試實物現場布置圖

3.3 濾波電路試驗測試數據

3.3.1 ESD 耦合方式測試數據記錄

1）RS422 通訊測試記錄,如表3 所示。

2）LVDS 通訊測試記錄,如表4所示。

表3 RS422 測試數據

表4 LVDS 測試數據

3）CAN 通訊測試記錄,如表5所示。

表5 CAN 通訊線纜測試數據

4）OC 門測試記錄,如表6 所示。

表6 OC 門線纜測試數據

5）模擬量測試記錄，如表7所示。

表7 模擬量線纜測試數據

3.3.2 輻射敏感度耦合方式測試數據記錄

分別針對CAN 總線、LVDS、RS 422、OC 門、AD數據采集進行輻射敏感度耦合測試，測試場強分為30 V/m、50 V/m 和100 V/m，測 試 頻 率 覆 蓋80～1 000 MHz。

1）測試場強30 V/m,如表8 所示。

表8 測試場強30 V/m

2）測試場強50 V/m,如表9 所示。

表9 測試場強50 V/m

3）測試場強100 V/m，如表10 所示。

3.4 濾波電路+屏蔽試驗測試數據

根據上述測試結果，使用濾波電路能夠對電磁脈沖起到較好的抑制作用，但仍有少許誤碼現象存在，因此在濾波電路基礎上增加屏蔽線纜雙重防護措施后進一步測試。

3.4.1 濾波板+屏蔽線ESD 測試數據

采用濾波板+屏蔽線措施，分別針對RS422、LVDS、CAN、OC 門、模擬量進行ESD 測試。

1）RS422 通訊測試記錄,如表11 所示。

表10 測試場強100 V/m

表11 RS422 通訊測試數據

2）LVDS 通訊測試記錄,如表12 所示。

表12 LVDS 通訊測試數據

3）CAN 通訊測試記錄,如表13 所示。

表13 CAN 通訊測試數據

4）OC 門測試記錄,如表14 所示。

表14 OC 門測試數據

5）模擬量測試記錄，如表15 所示。

表15 模擬量測試數據

3.4.2 濾波板+屏蔽線輻射敏感度測試據

采用濾波板+屏蔽線措施，在30 V/m、50 V/m、100 V/m 條件下，分別針對RS422、LVDS、CAN、OC門、AD 數據采集進行輻射敏感度測試,如表16 所示。

表16 濾波板+屏蔽線輻射敏感度測試數據

3.5 測試結果分析

1）對比無濾波電路測試數據，增加防護濾波電路后，對電磁脈沖干擾有較好的防護作用；

2）對比濾波單獨防護方式的測試數據，采用濾波和屏蔽線雙重措施后，測試結果進一步改善，而且LVDS 和CAN 總線使用屏蔽線+濾波的效果要明顯優于單獨使用濾波一種措施；

3）LVDS 屬于系統中的高敏感信號，設計中需要重點考慮濾波防護措施；

4）在航天器系統設計時應充分考慮LVDS 信號的系統信號走線的布局設計，盡量避免與強干擾信號出現互容、互感耦合；

5）建議航天器系統設計時，在關鍵信號接口上屏蔽線+接口防護濾波方案同時使用，可以在很大程度上提升該信號接口電路的電磁脈沖抗干擾能力。

4 結束語

本文分析了濾波電路的耦合防護機理，并給出了常用信號接口的防護濾波電路。常用信號的ESD 電磁脈沖耦合測試和輻射敏感度耦合測試，表明如LVDS 等高敏感信號受電磁脈沖干擾影響很大，采用合理的濾波電路后能夠對干擾產生有效的抑制效果，濾波電路結合屏蔽線纜共同使用能夠更好地解決電磁脈沖干擾問題，該項研究能偶為后續航天工程應用提供有力支撐。