航天專用測試設備電源干擾抑制技術應用

余 莉,高 巖

(航天科工慣性技術有限公司，北京 100074)

0 引言

專用測試設備是指為測量某產品全部的技術指標和性能而專門研制或配置的非通用測試設備，在國防科技行業中應用居多[1]。以航天國防科技工業為例，航天產品在科研和生產階段，都需要做長時間的測試和試驗，自動測試產品各項技術指標和詳細的數據過程記錄在此時顯得尤為重要。在這個過程中，通用測試儀器設備已經滿足不了用戶在產品驗證方面的測量需求，必須為產品定制滿足各種用途的專用測量設備。專用測試設備的測試數據是否準確可靠，會直接影響到型號產品質量的判定，從而影響到型號試驗的成功。所以，專用測試設備的質量與控制狀態直接關系到軍工產品的質量與可靠性，關系到試驗的成敗。從設備的電磁兼容角度看，如果專用測試設備本身對外干擾較強，有可能會影響到被測產品的正常工作，嚴重時可能會損壞被測產品；如果測試設備本身抗干擾能力差，那么外界干擾的存在同樣會影響設備的測量精度，嚴重時可能導致設備本身工作出現異常。因此，測試設備自身電磁兼容性設計的優劣已成為衡量一臺專用設備質量的重要指標。

航天專用測試設備通常是為某航天產品測試需求而專門定制的測試設備，其功能主要用于檢測產品的各項技術指標是否合格。在航天專用測試設備中，由于被測對象都是航天應用產品，大多具有較高的經濟價值，如果因為設備的電磁兼容性問題給被測產品帶來損害，設備承制方必將承受嚴重的經濟損失。所以電磁兼容性設計在航天專用測試設備中舉足輕重。

1 航天專用測試設備特點及EMI分析

航天專用測試設備自身多為室內使用的地面設備，用于配合產品的測試和實驗等，少量應用于艦載環境，幾乎不存在露天外場這樣的應用環境。因此，來自自然界的如雷電、太陽黑子輻射等自然現象對測試設備的干擾可以忽略不計，而實驗室周邊的電氣設備所產生的電磁場、電火花、電弧焊接、高頻加熱、可控硅整流等強電系統所造成的干擾則是測試設備需要重點考慮的因數。這類干擾主要是通過供電電源對測量裝置和計算機產生影響，因此測試設備電源的干擾抑制技術成為目前普遍關注的焦點，同時也是本論文研究的重點。

1.1 設備電源特點

航天專用測試設備電源分為獨立供電單元和嵌入式供電電源兩種。前者是指內含多種電源轉換電路和電源保護電路的獨立箱體，后者是指安裝于測試箱本體內部的電源轉換電路。兩者功能大致相近，工作方式相同，但在結構形式、供電輸入方式、電路原理、負載特征上迥異，如表1所示。

表1 航天專用測試設備電源的分類與區別

從電源電路原理上看，(AC+DC)/DC轉換電路是由AC/DC轉換電路和通道切換電路共同構成，而AC/DC轉換電路是由整流電路、DC/DC轉換電路和電壓調節電路等共同構成，DC/DC轉換電路則由輸入輸出濾波電路和DC/DC電源轉換模塊等共同實現。因此，研究測試設備電源電磁干擾抑制技術的核心應放在DC/DC電源轉換模塊應用的電磁兼容設計上。

1.2 DC/DC模塊電源EMI分析

目前航天專用測試設備應用的DC/DC模塊電源，輸入電壓有DC18～36 V和AC220V兩種，輸出功率從幾瓦到幾百瓦不等。這些DC/DC模塊電源均為開關式穩壓電源，而開關式穩壓電源的控制方式分為調寬式和調頻式兩種。在航天專用測試設備應用的模塊電源，絕大多數的控制方式為脈寬調制(PWM)式，即控制電路是以功率半導體開關器件為核心的高頻功率電子電路，通過調整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩定輸出電壓的目的。也就是說模塊電源內部會不可避免地產生周期性雜波，而雜波的頻譜分布在開關頻率點和其高階諧波頻率點周圍。如圖 1所示，DC/DC變換器的電磁干擾(EMI，Electro Magnetic Interference)存在輻射干擾(輻射發射RE、輻射敏感度RS)和傳導干擾(傳導發射CE、傳導敏感度CS)兩種。[2]

圖1 DC/DC模塊電源的EMI分析示意圖

輻射干擾是指變換器內部開關管的高速導通和關斷所產生的噪聲和印制板元器件布局、布線引入的寄生參數帶來的干擾信號。此項參數在產品出廠時已經固化，對于應用者來說是不可控的。同時，航天專用測試設備采用的DC/DC變換器全部為市場貨架產品，通過該類產品相關電磁兼容性試驗標準，所以輻射干擾不是本篇研究的方向，傳導干擾[5]的抑制才是重點。

以航天專用測試設備為單位來看，傳導干擾要么是從電源進線引入的外界干擾，要么是設備產生并經由電源線傳導出去的噪聲干擾。這表明了噪聲的雙向性，測試設備既是噪聲干擾的對象，又是一個噪聲源。

具體到干擾電流的流動途徑來看，傳導干擾又分為共模干擾和差模干擾，如圖 2所示[4]。共模干擾是兩條電源線對大地(簡稱線對地)的噪聲，大小方向一致，主要由電源線對地的雜散電容CP引起；差模干擾是兩條電源線之間(簡稱線對線)的噪聲，大小一致，方向相反，

圖2 共模和差模干擾的電流示意圖

2 電源干擾抑制技術應用

為了保證測試設備正常工作，必須在測試設備電源的設計和使用過程中合理應用干擾抑制技術，才能有效地抑制干擾。屏蔽、接地、濾波是三項最基本的干擾抑制技術[2]，主要用來切斷干擾的傳輸途徑。

2.1 濾波

采用測試設備內部安裝輸入輸出EMI電源濾波器和設計電源輸入輸出濾波電路都是有效減低傳導干擾的途徑。在設備結構允許的條件下，理想的濾波方式連接圖如圖 3所示，AC220V或DC18～36信號首先經過EMI電源輸入濾波器，再經過電源輸入輸出濾波電路等，得到的一部分直流電壓信號直接為設備內部電路和面板儀器儀表供電，另一部分經過EMI電源輸出濾波器為被測電路供電。

圖3 測試設備電源理想的濾波方式連接圖

2.1.1 EMI電源濾波器的選擇

目前市場上流通的濾波器類目繁多，根據航天專用設備電源特點來看，DC/DC模塊電源的土要干擾源是由開關頻率產生的高次諧波，而目高頻電磁波更容易接收而對設備造成干擾，因此EMI濾波器應采用低通濾波方式。在某些直流供電的測試設備中，如果安裝有較大差模電感的濾波器，雖然抑制電流突變的作用顯著，但會使得部分DC/DC變換器在重負載啟動時電流輸入供給不足，從而引起電源模塊在短時間內出現嘯叫聲，輸出異常。所以，在設備電源輸入端安裝的EMI濾波器盡量采用無差模電感或差模電感量較小的濾波方式。如果某些特殊情況必須采用有一定差模電感量的濾波器，那么必須在濾波器后端添加大電容[7]。

另外，在選用濾波器時主要從如下4個方面進行選型。

1)類型。EMI電源濾波器通常有直流濾波器和交流濾波器兩種。在實際應用中，設備是直流供電時，宜采用直流濾波器；設備是交流供電或者交直流切換供電時，只能選用交流濾波器。直流濾波器不能用在設備是交流供電或者交直流切換供電場合，主要因為直流濾波器中往往會使用容量較大的共模濾波電容器，應用在交流場合可能會產生漏電流超標的問題。而交流濾波器應用于直流場合，安全角度沒問題，但是體積會較一般的直流濾波器大，且成本更高。

2)額定電壓。EMI電源濾波器的額定電壓是指濾波器工作時的最高電壓。在航天專用測試設備中，考慮設備器件的降額要求，通常情況下會選擇額定電壓高于輸入電壓30%～50%的濾波器。

3)額定電流。EMI電源濾波器的額定電流是指在額定電壓的條件下所能通過的連續最大的電流。選擇濾波器的額定電流參數時，要以測試設備的最大工作電流為準，確保濾波器在設備最大工作電流狀態下工作正常。在航天專用測試設備中，考慮設備器件的降額要求，濾波器的額定電流值通常取實際電流值的1.5倍。

4)插入損耗[6]。從抑制干擾的角度，插入損耗是最重要的指標。插入損耗是指在同一負載上濾波器接入前負載所接受到的功率與濾波器接入后負載所接受到的功率的比值，單位是分貝(dB)，分貝越大說明抗干擾能力越強。但是需要注意的是，濾波器廠家給出的濾波器的插入損耗曲線都是在50 Ω-50 Ω的標準阻抗下測得的,而實際應用中的源阻抗和負載阻抗不會是中規中矩的,所以濾波器的衰減效果會有減弱。因此，對擬抑制的頻點至少留出20 dB的余量。以200 kHz超標15 dB為例，應選擇插入損耗曲線在200 kHz時不低于35 dB的濾波器。另外，插入損耗分共模插入損耗和差模插入損耗，一般10 MHz以上的干擾，選擇共模插入損耗滿足以上要求的濾波器，10 MHz以下的干擾，選擇差模插入損耗滿足以上要求的濾波器，對上例200 kHz，應選擇差模插入損耗35 dB的濾波器。

2.1.2 EMI電源濾波器的安裝

當設備內部選擇了合適的EMI電源濾波器后，必須要考慮恰當的安裝方式。只有安裝得當，才能取得預期的效果，否則，就會破壞濾波器的衰減特性，不能對電磁干擾起到很好的抑制作用。濾波器的安裝方式需要注意以下3個方面。

1)輸入線盡量短。如果測試設備電源入口到EMI電源濾波器輸入端有很長的引線，測試設備內部產生的電磁干擾就會通過一些分布電容和分布電感重新耦合到電源線上，使得濾波器失效。因此，EMI電源濾波器應在測試設備電源入口處就近安裝，最好的結構安裝就是用濾波器的殼體蓋住機箱上的電源線入口處最好。

2)濾波器的輸入線和輸出線必須分開走線。如果將電源濾波器的輸入線和輸出線捆扎在一起或平行走線，相當于在電源濾波器的輸入線和輸出線之間并接了一個電容，干擾信號即可繞過濾波器，從分布電容的路徑通過，導致濾波器失效。

3)濾波器的外殼與設備的金屬機殼要有良好搭接。兩者搭接良好時，干擾信號可以通過殼體直接接地；兩者搭接不良時，相當于濾波器的殼體與機箱之間存在一個分布電容，導致濾波器高頻時接地阻抗較大，一部分干擾信號就能通過濾波器，使得濾波器濾波效果下降。所以要注意濾波器的外殼與設備機殼搭接處，不要涂覆絕緣漆，整面接觸最為穩妥。

2.1.3 輸入輸出濾波電路的設計

如圖 3所示，如果設備腔內空間足夠，外置濾波器與電路印制板濾波電路配合使用顯然是設備電源最優的濾波方式，從而使得傳導干擾對設備其它電路、儀表和外界的影響能夠大幅降低。但在腔內空間無法安置電源輸入輸出濾波器時或只能安置其中之一時，濾波電路的作用凸現。因此，在任何情況下，電源輸入輸出濾波電路都是設備電源密不可分的一部分，需要精心設計[3]。

測試設備電源中常用的輸入、輸出濾波電路如圖 4(a)(b)所示。

(a)輸入濾波電路

圖4中C6、C7和C11、C12均為濾除共模干擾用的Y電容，分別跨接電源正線與模塊金屬外殼(或火線與地線)間和回線與模塊金屬外殼(或零線與地線))間，對共模電流起旁路作用。該電容一般選取耐壓1 000 V以上，容值在10 000 pf以下的高壓瓷片電容。C1、C2、C3用于吸收輸入紋波噪聲，C15、C16用于吸收輸出紋波噪聲，C13、C14是儲能電容，保障負載瞬時電流突變時，電源電路仍穩定工作。為了獲得良好的濾波效果，所有電容的引線必須盡可能短。同時，共模電感L1、L2、L11的應用都能起到有效抑制共模噪聲的作用。根據測試設備電源特點，共模扼流圈在150 k～30 MHz之間必須提供足夠高的阻抗來抑制噪聲，所以首選環形鐵氧體作為磁芯材料，電感量繞置在1～2 mH為宜。

2.2 屏蔽

屏蔽就是利用導電體或導磁體制成的容器，將干擾源或信號電路包圍起來。屏蔽主要用于切斷通過空間輻射之干擾的傳輸途徑[10]。根據航天專用測試設備電源特點，嵌入式供電電源因為采用印制板支架堆放式結構，與設備其他電路沒有明顯的空間界限，屏蔽處理只能局限于傳輸的導線；而供電單元因為有獨立的箱體結構，除了傳輸線的屏蔽，箱體機殼的屏蔽也是關注的重點。

2.2.1 屏蔽線的使用

無論是嵌入式供電電源還是獨立的供電單元，線纜都是屏蔽的重要因素，一般使用原則如下：

1)AC220V電源線應采用三色纖維聚氯乙烯絕緣安裝線，三絞后套屏蔽套。該線纜的截面積參數根據傳輸電流適當選取。

2)電源正、回線傳輸電流1.5 A以下，直接采用氟塑料絕緣雙絞屏蔽線AFP (2×0.15 mm2)；1.5～3 A以內傳輸電流，應采用擠壓式絕緣層屏蔽線AFP-200(1×0.35 mm2)雙絞；3 A以上傳輸電流選用原則與1)相同；

3)敏感、易受干擾、關鍵信號線同樣需要加屏蔽措施，原則與2)相同。

4)以上線纜焊接端部分均應采用屏蔽膠帶對線纜進行EMI屏蔽，在纏繞時可以有一些重疊。屏蔽膠帶是一種帶高導電背膠的導電箔帶，其背膠和導電箔帶組成完整的導電體，可以與任何金屬表面以粘接方式完整電搭接和縫隙電封閉。對重量和柔軟性有要求的場合可以使用導電布膠帶。

2.2.2 實用的機箱屏蔽措施

供電單元結構體的電磁泄露點主要有：軸流風機和縫隙。其中縫隙有包括機箱縫隙、連接器縫隙以及其它空洞縫隙等。一些實用的屏蔽措施如下：

1)軸流風機安裝蜂巢屏蔽通風窗。通風口是電磁干擾主要泄露部分之一，在GJB151A嚴格要求下，采用機箱板上開小孔或金屬網的常規方法，其屏蔽性能已達不到期望水準。蜂巢式屏蔽通風窗利用截至波導原理解決通風和屏蔽這對矛盾。該產品的特點是具有極好的通風性能和極高屏蔽性能，通風面積可達到95%；采用帶導電襯墊的一體化端接方式，只需擰緊螺釘，就可安裝到位，操作極為方便。

2)機箱縫隙用導電橡膠屏蔽。導電橡膠是通過在硅橡膠中添加導電微粒制成的一種新型高分子材料，它既保持了橡膠原有的水、汽密封特性，同時具有穩定的電磁屏蔽性能。凡水密橡膠均可用導電橡膠替代，同時完成環境密封和電磁密封。在實際應用中，導電箱體是由機蓋和機架構成的，這兩者通常是平而硬的表面。當它們結合在一起時，微小的不規則的表面阻止了它們在任何點的良好密封，這些不規則在一定壓力存在下就是高頻電磁波能力泄露的途徑。即使用很大的壓力問題依然存在。然而，將導電橡膠等屏蔽材料安裝在接觸表面，即使在很小的壓力下，柔韌性很好的屏蔽襯墊能夠很好的依存不規則的表面。這樣由于表面不規則及通過接觸面潛在的泄漏途徑彎曲的密封了，可以使高頻電磁輻射能力的滲透削弱，也可以防止環境中濕氣及氣體滲透。

3)連接器縫隙用法蘭接口密封襯墊屏蔽。該襯墊由各種導電橡膠制成，主要使用在連接器法蘭和安裝隔板之間，可以提供良好的屏蔽性能、水汽密封和壓力密封，可以與非導電密封墊互換。

4)其他孔洞縫隙屏蔽。由于面板顯示儀表、指示燈和操作開關等需求會導致結構件上開各種孔洞，建議選用屏蔽的元器件。否則需要注意安裝縫隙的屏蔽效果。導電接口襯墊采用導電布襯墊或金屬復合襯墊模切而成，能夠對器件接口有很好的屏蔽作用。它具有高彈性和阻燃行，同時還具有體積小、重量輕的特點，是目前應用最廣泛的屏蔽材料。

2.3 接地

在航天專用測試設備中，接地不僅是抑制干擾的重要手段之一，更是一項重要的安全保護措施。實踐證明，良好的接地不僅能夠防止外部干擾的入侵，抑制測試設備內部噪聲對外耦合，而且能夠保護設備和人身安全；反之，如果接地處理不好，可能會將外部干擾引入設備內部，設備內部噪聲也會對外耦合，產生干擾，甚至引起觸電事故發生，危害個人的生命安全[8]。

良好的接地設計可以讓測試設備以最小的硬件成本解決許多電磁干擾問題[9]。具體注意事項如下：

1)設備金屬機殼應與大地可靠接觸。如果設備是AC220V輸入，機殼地與AC220V地應采用線徑較粗的屏蔽線短距離多處相接(具體問題具體分析)；如果設備是直流輸入，機箱外殼應設有“地柱”，操作者在操作前需要通過“地柱”將測試設備與大地相連。設備機殼接大地不僅可以大大提高設備的抗干擾能力，而且也是出于對操作者人生安全角度的重要考慮。

2)濾波器外殼應與設備金屬機殼可靠接觸。接觸電阻(如圖 3)增大會使濾波器抗共模干擾的特性變壞，甚至失效；而且濾波器外殼接地也能夠防止濾波器的泄漏電流對人身的危害。

3)屏蔽線金屬外層應與設備金屬機殼可靠接觸。屏蔽線的金屬外層應緊貼機箱，面—面接觸的方式優于多點接觸方式。

4)電源模塊金屬外殼應與設備金屬機殼可靠接觸。如果機箱底板為金屬接觸面，只需要將電源模塊的接線柱與印制板安裝支架相連就能實現模塊金屬外殼與設備金屬機殼可靠接觸；如果機箱底板為非金屬接觸面，需要增加電源模塊接線柱與印制板連接器相連的印制線，同時在該印制板的對外接口處增加與機箱金屬側板或上、下蓋板的連接，以保證模塊金屬外殼與設備金屬機殼可靠接觸。

5)供電單元機箱連接器或金屬開關等應與設備金屬機殼可靠接觸。除了用戶的特別申明(絕緣接觸要求)外，面板上安裝金屬連接器或金屬操作開關時，必須保證接觸面平滑，如果有必要在它們之間安裝屏蔽材料，材料也必須是導電的。

3 實際應用效果和結論

在實際應用中，作者選取了某嵌入式供電電源作為試驗對象，測試設備外部結構借鑒供電單元機箱的具體屏蔽措施實施方法，通過了CE101、CE102、CS101、CS114、CS116、RE101、RE102、RS101、RS103等九項電磁兼容試驗。其中CE102 10 kHz～10 MHz和RE102 10 kHz～10 MHz的試驗結果截圖如圖 5(a)、(b)所示。

由圖 5可見，在整個試驗檢測頻段范圍內，輸入電源線的傳導發射和設備自身及其電纜的電場發射均在規定的極限值以下，而且在DC/DC變換器的開關頻率350 kHz附近，電場輻射發射較其它頻段稍高。同時也驗證了試驗測試結果與實際情況相符，濾波、屏蔽、接地等干擾抑制具體措施是可靠而行之有效的。

(a)CE102 10 kHz～10 MHz試驗結果截圖

4 結束語

本文通過對航天專用測試設備的電源特點分析和EMI分析，從濾波、屏蔽、接地3個方面深入探討了電源干擾抑制技術在航天專用測試設備中應用的具體措施。這些電磁兼容方法已經成功應用在某測試設備嵌入式供電電源和機箱結構中，通過了CE102、RE102等九項電磁兼容試驗。

從測試設備發展角度看，設備電源干擾抑制的具體方法對今后航天專用測試設備的電磁兼容性EMC(Electro Magnetic Compatibility)發展具有積極的指導和借鑒作用，意義深遠。