机载计算机电磁兼容性设计

杨宁

摘 要： 介绍了电磁兼容的定义、目的，设计步骤、试验项目和要求，针对机载计算机电磁兼容的特点和工程实践，提出解决机载计算机电磁兼容问题重点关注的四个方面，即电缆设计、机械结构设计、电源滤波器设计和计算机电源接地和信号接地设计。通过总结机载计算机设计和电磁兼容试验中出现的具体问题，从理论上分析问题产生的机理，提出切实可行的工程解决方法。最后强调该技术是试验性的科学，解决方案必须通过电磁兼容试验验证。

关键词： 电磁兼容； 传导发射； 辐射发射； 浪涌； 静电放电

中图分类号： TN40?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0026?04

Abstract： EMC′s definition， purpose， design process， experimental content and demand are introduced in this paper. Four aspects （cable design， mechanical design， power filter design， and computer power ground and signal ground design） to achieve airborne computer EMC are proposed according to the characteristics and engineering practice of airborne computer EMC. By summarizing the issues appearing in airborne computer design and testing， the mechanism that the problems occured was analysed in theory. The practical engineering solutions are put forward. The solution must pass EMC test verification because the EMC technology is experimental science， the author stressed emphatically.

Keywords： electromagnetic compatibility； conducted emission； radiated emission； surge； electrostatic discharge

电磁兼容一般指电器及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”状态。换句话说，电磁兼容是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性的状态。电磁兼容性设计的目的是解决电路之间的相互干扰，防止电子设备产生过强的电磁发射及对外界干扰过度敏感等问题。随着电子技术、计算机技术和集成电路技术的发展，集计算、处理和通信功能于一体的机载计算机的电磁兼容问题越来越突出，电磁兼容设计已经具有与产品功能设计同样的重要性。电磁兼容性设计的优劣是通过对产品进行电磁兼容性试验来检验的。一般来说，电磁兼容性设计的工作步骤如图1所示。

1 电磁兼容性试验要求

机载计算机电磁兼容性试验的内容包括：

（1） 传导发射（Conducte Emission）是沿电源线、控制线或信号线传输的电磁信号电平的度量；

（2） 辐射发射（Radiate Emission）是通过空间传播的、有用的或不希望的电磁信号电平的度量；

（3） 传导敏感度（Conducted Susceptibility）对造成设备、分系统、系统性能劣化或不希望有的响应所需的传导干扰电平的度量；

（4） 辐射敏感度（Radiated Susceptibility）对造成设备、分系统、系统性能劣化或不希望有的响应所需辐射干扰电平的度量；

（5） 电快速脉冲群抗扰度（Electical Fast Transient）是由电路中的感性负载断开时产生的一连串的电脉冲，它会在电路的输入端产生累积效应，使干扰电平的幅度最终可能超过系统中电气和电子设备的噪声门限而产生错误的逻辑；

（6） 浪涌（Surge）是指由雷电在电缆上感应或大功率开关动作时在电缆上产生的电压，其特点是持续时间短，功率大；

（7） 静电放电（Electro Static Discharge）是两个具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电场感应引起两物体间的静电电荷转移。静电电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的想象就是静电放电[1]。

以上试验项目总的分成两类，一类是检测被测产品（EUT）对其他产品或环境的电磁干扰水平；另一类是检测EUT受到外部或环境的电磁干扰时正常工作的能力。EUT对外部的干扰或受干扰的途径又分为直接耦合和空间耦合两种途径。对于机载计算机的电磁兼容设计必须根据机载环境的特点和干扰的特点，从电缆设计、结构屏蔽设计、滤波器设计、印制板设计、接地设计等方面进行全面考虑。

2 电缆设计

机载计算机是用于处理信号和传输信息的，必然在计算机的机箱上有连接器和电缆，而电缆是效率很高的电磁波接收天线，空间的电磁干扰往往首先被电缆接收到，然后传入到计算机中，造成电路的误动作。电缆还是效率很高的电磁波辐射天线，当计算机被屏蔽起来后，电缆是产生电磁波辐射的主要原因。当机载计算机系统不能满足有关电磁干扰的限制要求时，特别是不能通过GJB151A标准中的RE102时，90%是电缆的原因。

电缆中的导线是平行的，而且平行走线距离最长，因此信号串扰是十分严重的，减小电缆中导线的串扰是电磁兼容设计中十分重要的内容。另外，即使不是同一根电缆中的导线，相互串扰也往往十分严重，要通过适当的设计来减小这些串扰[2]。

机载计算机的电缆设计中抑制措施主要有：

（1） 在进行计算机的连接器选型、电缆设计时，首先要根据信号的种类进行分类，比如电源线和大功率的直接用电源驱动的信号归为一类，这类信号可以作在一根电缆中，如果有条件的话，最好将电源线单独作一根电缆；缓慢变化的模拟量信号作一根电缆且需要屏蔽；通信信号安排在一个连接器中作一根电缆，但是每组通讯线需要单独屏蔽，甚至是一组通讯接口中的发送和接收也需要分别屏蔽。通信速率为115.2 Kb/s的RS 422的接收线和发送线如果不单独屏蔽而平行放置的话，完全可以在接收端收到自己发送出去的数据。

（2） 机载通信电路越来越多地使用差分电路进行收发数据，为了减小电路对外的电磁辐射强度，最好对每个差分电路的两根线进行双绞屏蔽，绞合能够使电流流向相反的两个线缆所产生的电场相互抵消，单位长度绞合次数越多则作用越大，绞合次数约为每米30次。

（3） 通过在电缆上套磁环可以抑制共模干扰，一般可以将电源线和对应的地线在磁环上绕几匝，或者将差分信号的两根线在磁环上绕几匝，但不宜绕的匝数过多，否则由于线间的分布电容会使效果大打折扣[3]。

（4） 电缆屏蔽层的接地必须通过屏蔽层与金属连接器外壳可靠接地。常用的MIL?DTL?38999系列连接器由于尾附件的结构设计不是很完善，导致了在屏蔽层和尾附件搭接时，往往将屏蔽层做成一个辫子再压在尾附件的螺丝下，这会导致在高频下的接地效果不好，因为这段称之为“pigtail”的结构会形成比较大的阻抗，影响接地效果。目前国内已有连接器厂家开发出可以对屏蔽电缆实现360°包裹的尾附件，大大提高屏蔽效果和接地效果。

3 结构设计

抑制以场的形式造成干扰的有效方法是电磁屏蔽。所谓屏蔽就是以某种材料（导电或导磁材料）制成的屏蔽壳体（实体的或非实体的）将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进入这一区域（或者进出该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。电磁屏蔽的作用原理是利用屏蔽体对电磁能流的反射、吸收和引导作用。电磁屏蔽又分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。对机载计算机来说，设计制作具有良好屏蔽效能的机箱和模块壳体，是实现电磁屏蔽的关键。除了对付低频磁场外，大部分金属材料可以提供100 dB以上的屏蔽效能。但是要达到80 dB的屏蔽效能是十分困难的。因为机箱屏蔽效能不仅取决于屏蔽体材料，还取决于屏蔽体结构，所有机箱表面都有孔缝，因此，必须仔细处理孔缝，防止通过孔缝泄露电磁干扰信号。一般需要在机箱盖板和箱体之间加共模压导电橡胶，见图2。机箱盖板的螺钉之间的距离需要满足不大于干扰信号波长[4]的[12]。对于连接器和机箱之间的缝隙，可以用对高频具有良好导电性的橡胶条实现密封，见图3。有时候对于印制板上有较多晶振时或者有低频干扰时，但从机箱方面处理比较难以解决问题，可以通过给模块加装壳体实现双层屏蔽，往往能够达到比较好的屏蔽效果。需要特别注意的是，所有屏蔽效果的实现都是依赖于屏蔽体的良好接地，因此，必须仔细处理机箱的接地，测试机箱的接地电阻符合机载设备相关标准要求。

4 滤波器设计

滤波技术是抑制电气、电子设备传导电磁干扰，提高电气、电子设备传导抗扰度水平的主要手段，也是保证设备整体或局部屏蔽效能的重要措施。滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用信号的频带时，可以使用滤波器将无用的骚扰滤除。滤波器的作用是允许工作信号通过，而对非工作信号有很大衰减作用，使产生干扰的机会减为最小。

一般机载计算机使用的滤波器分为两种，即电源滤波器和信号滤波器，都是低通滤波器。GJB151A中对机载计算机设备规定了涉及电源线的电磁兼容考核项目：

（1） 电源线传导发射CE102：范围10 kHz～10 MHz；

（2） 电源线传导敏感度CS101：范围25 Hz～50 kHz；

（3） 电缆束注入传导敏感度CS114：范围10 kHz～400 MHz；

（4） 电缆束注入脉冲激励传导敏感度CS115；

（5） 电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度CS116；

（6） 电源线尖峰信号传导敏感度CS106。

上述6项涉及到传导发射和传导敏感度，一个好的滤波器设计能够保证项目全部通过试验，反之，没有滤波器则很难通过这些试验，滤波器对RE102辐射发射项目的通过也有很大益处。电源滤波器通常由电感、电容、共模电感元件构成低通滤波器，其基本电路见图4。

电源滤波器一般是由专门的厂家根据需求进行定制，市场上的通用滤波器一般很难满足机载计算机对传导发射的苛刻要求，对于应用工程师来说，只需要将自己的需求提供给厂家，即可进行定制。滤波器在安装使用中需要注意以下几点：

（1） 滤波器的安装位置最好接近机箱上的电源连接器，尽量缩短滤波器与电源连接器之间的导线距离，要避免如图5所示的滤波器安装方式，为了达到更好的效果，也可以将电源连接器和滤波器制作在一起。

（2） 在装配过程中，切不可将滤波器的输入/输出线绑扎在一起，以免电磁辐射干扰将输入/输出线直接耦合，将滤波器“短路掉”，要避免如图6所示的滤波器安装方式。

（3） 滤波器的效果很大程度上取决于接地的阻抗，滤波器的外壳即是图4中的地，一般要将滤波器直接安装在机箱壁上，两者要接触良好，尽量降低接地阻抗。

（4） 为了防止机箱内的射频辐射到滤波器的导线上，最好对导线进行屏蔽，并将屏蔽层接地。

5 接地设计

接地技术是电磁兼容技术中的一项重要技术，也是任何电子、电气设备或系统正常工作时必须采取的重要技术。机载计算机绝大部分电磁兼容问题都和接地有关，甚至接地方式是否正确和合理直接影响到电磁兼容试验的通过与否。任何导线都具有一定的阻抗，该阻抗使两个不同的接地点很难得到等电位，这样，公共阻抗使两接地点间形成一定的电压，从而产生接地干扰。接地分为：保护性接地和功能性接地。保护性接地又分为防电击接地、防雷接地和防静电接地。功能性接地又分为功率接地、逻辑接地和屏蔽接地[5]。功率性接地是为了保证电力系统正常运行，防止系统振荡，保证继电保护的可靠性，在交直流电力系统的适当地方进行接地，交流一般为中性点，在电子设备系统中，则称除电子设备系统以外的交直流接地为功率地。逻辑接地是为了确保系统一个统一的参考点，将电子设备中所有或局部电路的参考点作为“逻辑地”或“0 V”地，规定这一点的电压为0 V，电路中其他各点的电压高低都是以这一参考点为基准的，电路图中所标出的各点电压数据都是相对于地线的大小。屏蔽接地是将干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备的影响，也可减少电子设备产生的干扰影响其他电子设备。电磁兼容性（EMC）测试的时候，这个接地点通常就是参考接地板。EMC范畴内的接地属于功能性接地。EMC范畴内的良好接地，不仅仅是在原理上将产品中的某一点与大地相连，更重要的是在所关心或涉及的频率范围内，保证产品与大地之间的阻抗符合相关规定，一般不超过2 000 μΩ，不致在该阻抗上引起大的压降。在机载计算机中，一般有28 V供电电源地、28 V离散量信号地、数字电路地、模拟电路地、机箱搭铁地，功率输出地。根据相关标准规定，每个供电电源都要有电流的回线，对于机载计算机来说，28 V供电电源的地线必须单独引线，不得用机箱搭铁作为地线，一般在处理时也是单独引一根地线，不与机箱连接。28 V离散量信号地根据情况可灵活处理，当输入电路电流很小时，一般直接用28 V电源的地线，当有特殊需要时需要单独引一根28 V信号地线。

数字电路地是机载计算机通过二次电源把28 V电源转换为5 V，3.3 V，1.8 V，2.5 V等电源供给数字电路使用，因此，数字电路地线中有大量的高频电流，如果不采取一定的措施，地线中的高频电流会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量精度。为了抑制数字电路对模拟电路带来的干扰，一般需要将数字电路与模拟电路分开布线，分开铺设地层，减少相互影响，提升计算机的电磁兼容性设计，保障设备顺利通过电磁兼容试验。

模拟电路地是机载计算机通过二次电源把28 V电源转换为15 V，-15 V电源供给模拟电路、运放等使用，往往会有混合电路芯片比如A/D转换器是既有模拟电源，又有数字电源供电的，而且只有两种电源共地后，芯片才能正常工作。一般的处理方法是如果印制板上只有一个混合电路芯片，则在该芯片下直接将芯片的数字地和模拟地管脚通过一根最短的印制板走线相连，即单点接地，以免形成地环路；如果印制板上有多于一个混合电路芯片，则在电源模块处或母板上将数字电路和模拟电路单点接地。为了保证整个计算机的参考地是稳定的，也为了保证机载计算机和别的机载设备电气互联是有统一的参考，需要将整个系统的地（数字地与模拟地）与机箱通过单点接地，机箱通过搭铁线与飞机机体或大地可靠连接。这是机载计算机和别的机载设备能够正常电气连接和信号传输的电气要求。为了将外部的干扰阻挡在计算机外，机载计算机经常需要将离散量输入/输出、模拟量输入/输出与计算机内部地隔离的要求。离散量输入/输出电路与计算机内部电路隔离主要采用光电耦合器、继电器、固态继电器或者脉冲变压器。模拟量输入/输出与计算机内部电路隔离主要采用隔离运算放大器。

6 结 语

计算机电磁兼容性问题已经形成了一门新的学科，它以电磁场理论为基础，包括信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘学科，同时也是一门实践性比较强的学科，需要产品工程师具有丰富的理论知识和实践知识。本文所述的电磁兼容性设计方法是笔者在工作实践中的总结，事实上，这些方法是否适合具体的某个计算机，必须具体问题具体分析，最终都要通过电磁兼容性试验来验证是否可行。

参考文献

[1] 杨克俊.电磁兼容原理与设计技术[M].2版.北京：人民邮电出版社，2011.

[2] 钱振宇，史建华.电气、电子产品的电磁兼容技术与设计实例[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3] 郑军奇.EMC（电磁兼容）设计与测试案例分析[M].北京：电子工业出版社，2006.

[4] 郑军奇.电子产品设计EMC风险评估[M].北京：电子工业出版社，2008.

[5] Mark I Montrose.电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线[M].刘元安，李书芳，高攸纲，译.北京：人民邮电出版社，2003.

[6] 梁慧.计算电磁学在电磁兼容仿真中的应用[J].现代电子技术，2011，34（14）：99?102.

数字电路地是机载计算机通过二次电源把28 V电源转换为5 V，3.3 V，1.8 V，2.5 V等电源供给数字电路使用，因此，数字电路地线中有大量的高频电流，如果不采取一定的措施，地线中的高频电流会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量精度。为了抑制数字电路对模拟电路带来的干扰，一般需要将数字电路与模拟电路分开布线，分开铺设地层，减少相互影响，提升计算机的电磁兼容性设计，保障设备顺利通过电磁兼容试验。

模拟电路地是机载计算机通过二次电源把28 V电源转换为15 V，-15 V电源供给模拟电路、运放等使用，往往会有混合电路芯片比如A/D转换器是既有模拟电源，又有数字电源供电的，而且只有两种电源共地后，芯片才能正常工作。一般的处理方法是如果印制板上只有一个混合电路芯片，则在该芯片下直接将芯片的数字地和模拟地管脚通过一根最短的印制板走线相连，即单点接地，以免形成地环路；如果印制板上有多于一个混合电路芯片，则在电源模块处或母板上将数字电路和模拟电路单点接地。为了保证整个计算机的参考地是稳定的，也为了保证机载计算机和别的机载设备电气互联是有统一的参考，需要将整个系统的地（数字地与模拟地）与机箱通过单点接地，机箱通过搭铁线与飞机机体或大地可靠连接。这是机载计算机和别的机载设备能够正常电气连接和信号传输的电气要求。为了将外部的干扰阻挡在计算机外，机载计算机经常需要将离散量输入/输出、模拟量输入/输出与计算机内部地隔离的要求。离散量输入/输出电路与计算机内部电路隔离主要采用光电耦合器、继电器、固态继电器或者脉冲变压器。模拟量输入/输出与计算机内部电路隔离主要采用隔离运算放大器。

6 结 语

计算机电磁兼容性问题已经形成了一门新的学科，它以电磁场理论为基础，包括信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘学科，同时也是一门实践性比较强的学科，需要产品工程师具有丰富的理论知识和实践知识。本文所述的电磁兼容性设计方法是笔者在工作实践中的总结，事实上，这些方法是否适合具体的某个计算机，必须具体问题具体分析，最终都要通过电磁兼容性试验来验证是否可行。

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[5] Mark I Montrose.电磁兼容和印刷电路板理论、设计和布线[M].刘元安，李书芳，高攸纲，译.北京：人民邮电出版社，2003.

[6] 梁慧.计算电磁学在电磁兼容仿真中的应用[J].现代电子技术，2011，34（14）：99?102.

数字电路地是机载计算机通过二次电源把28 V电源转换为5 V，3.3 V，1.8 V，2.5 V等电源供给数字电路使用，因此，数字电路地线中有大量的高频电流，如果不采取一定的措施，地线中的高频电流会对模拟电路带来一定的干扰，影响测量精度。为了抑制数字电路对模拟电路带来的干扰，一般需要将数字电路与模拟电路分开布线，分开铺设地层，减少相互影响，提升计算机的电磁兼容性设计，保障设备顺利通过电磁兼容试验。

模拟电路地是机载计算机通过二次电源把28 V电源转换为15 V，-15 V电源供给模拟电路、运放等使用，往往会有混合电路芯片比如A/D转换器是既有模拟电源，又有数字电源供电的，而且只有两种电源共地后，芯片才能正常工作。一般的处理方法是如果印制板上只有一个混合电路芯片，则在该芯片下直接将芯片的数字地和模拟地管脚通过一根最短的印制板走线相连，即单点接地，以免形成地环路；如果印制板上有多于一个混合电路芯片，则在电源模块处或母板上将数字电路和模拟电路单点接地。为了保证整个计算机的参考地是稳定的，也为了保证机载计算机和别的机载设备电气互联是有统一的参考，需要将整个系统的地（数字地与模拟地）与机箱通过单点接地，机箱通过搭铁线与飞机机体或大地可靠连接。这是机载计算机和别的机载设备能够正常电气连接和信号传输的电气要求。为了将外部的干扰阻挡在计算机外，机载计算机经常需要将离散量输入/输出、模拟量输入/输出与计算机内部地隔离的要求。离散量输入/输出电路与计算机内部电路隔离主要采用光电耦合器、继电器、固态继电器或者脉冲变压器。模拟量输入/输出与计算机内部电路隔离主要采用隔离运算放大器。

6 结 语

计算机电磁兼容性问题已经形成了一门新的学科，它以电磁场理论为基础，包括信息、电工、电子、通信、材料、结构等学科的边缘学科，同时也是一门实践性比较强的学科，需要产品工程师具有丰富的理论知识和实践知识。本文所述的电磁兼容性设计方法是笔者在工作实践中的总结，事实上，这些方法是否适合具体的某个计算机，必须具体问题具体分析，最终都要通过电磁兼容性试验来验证是否可行。

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[6] 梁慧.计算电磁学在电磁兼容仿真中的应用[J].现代电子技术，2011，34（14）：99?102.