民用飞机机载电子设备电磁兼容设计浅析

韩冰

摘 要 本文讨论了民用飞机机载电子设备基本电磁兼容设计策略 。

关键词 电磁兼容 机载电子设备 电磁干扰

中图分类号：TN973 文献标识码：A

0前言

航空工业、FAA/EASA很早就已开始关注与民机电磁环境相关的功能性安全问题。大型客机执行关键任务、涉及飞行安全的系统，都使用电子设备。例如：自动驾驶仪、电传飞控、发动机全权数字控制系统、近地/自动着陆系统等。现代化客机极其依赖电子设备，甚至不用驾驶员来手动控制操作。其电磁兼容问题直接影响飞行安全性。本文阐述机载电子设备基本电磁兼容设计策略。

1电磁干扰

电磁干扰的三要素是干扰源、干扰传输途径、干扰接收器。最基本的干扰抑制技术是屏蔽、滤波、接地。它们主要用来切断干扰的传输途径。

2设备设计原则

（1）EMI和闪电防护技术主要包括EMI滤波、共模滤波、旁通电容、终端保护设备、专用的EMI连接器和印刷电路板地平面层。

（2）防护闪电和高能辐射场在一定程度上通过搭接、接地以及在设备互联针脚上使用EMI滤波器和瞬态保护装置。

（3）敷设电路板时减少接地环路和公共阻抗耦合，以及在敏感和噪音电路间提供隔离。

（4）内部噪音源，如直流—直流转换器使用共模和差模滤波器以减少辐射和降低敏感性。在电源线滤波器多数使用单个感应器，因此避免了共式扼流圈和差式扼流圈效率降低的电流平衡问题。

（5）高阻抗输入电路主要使用R-C型滤波器。如果有必要将使用光隔离电路。低阻抗I/O使用瞬变电压抑制器（TVS）以防止静电、闪电以及电源线上的电压尖峰。所有与外部连接的针脚要进行评估是否需要在针脚与内部电路间加滤波器以降低频辐射和敏感性。同样，所有内部电路的电源线使用退耦电容。

（6）综合考虑印刷板组件的布置、布局和布线合理设计一级或二级EMI滤波器。滤波器回路应通过低阻抗路径（例如地平面）连接到机壳。

（7）印刷板组件EMI滤波器使用地平面以降低电感，另外使用设备架接地螺栓能够进一步降低阻抗。一系列的滤波器元件如共模电容用于提高滤波器特性并用于闪电和HIRF防护。

（8）其它用于发射抑制方法，包括为所有进入集成电路的电源加旁通和在时钟输出线串联铁氧化磁体和/或电阻以抑制时钟的高频谐波。

（9）恰当的安装和搭接确保金属外壳搭接平面电阻保持在要求值。每一个屏蔽电缆匹配连接器接地要尽可能靠近LRU或托架的接地点。所有的飞机电源回路不能在设备内部连接机壳地。

（10）使用金属机架提供静电保护，HIRF和辐射屏蔽，为EMI滤波器件提供无噪声的地。

2.1 PBA设计原则

隔离模拟电路与数字电路，最小化线路的环路区域和使用平面地的管理技术。

2.1.1隔离

数字电路由于逻辑信号以非常快的速率（例如3纳秒）进行切换，能够干扰相邻的模拟电路，所以要进行隔离。

2.1.2最小化环路区域

线路（信号和信号回路）的另一面是天线回路，能够作为接收端或发送端。那么回路区域增加就会增加信号噪音的吸收和发送。因此，最小化环路区域能够使逻辑电路发送的噪声降低并且被模拟电路接收的噪音最少。

2.1.3地平面

如果有可能模拟和数字回路使用专门的地平面，而不是简单的信号回线。专门的地平面为信号回路提供低阻抗通道，也最小化回路。使用电源平面例如直流源也是同样的原因。

2.1.4布线

（1）电源线与回线尽可能靠近，最好的方法各走一面；

（2）为模拟电路提供一条零伏回线，信号线与回线数目之比小于5：1；

（3）针对长平行走线的串扰，增加其间距或在走线之间加一根零伏线；

（4）手工时钟布线，远离I/O 电路，可考虑加专用信号回程线；

（5）关键线路如复位线等接近地回线；

（6）为使串扰减至最小，采用双面#字型布线；

（7）高速线避免走直角；

（8）强弱信号线分开。

2.1.5布局

（1）晶振尽可能靠近处理器；

（2）模拟电路与数字电路占不同的区域；

（3）高频放在 PCB 板的边缘，并逐层排列；

（4）用地填充空着的区域。

2.2输入输出电路的EMC设计

2.2.1 A429发送端电路

图1显示的是常用的用于A429发送端电路的EMI/闪电/能量发射防护设计技术。

瞬变电压抑制器（TVS）的回路是内部电路地，与28V电回路连接到飞机的电结构网络。

控制能量发射的机理是结合使用输出电阻RS1、RS2及共模电感。有必要时可在电阻RS1和RS2右侧增加另外一种容性滤波元件。这种电路对射频干扰相对不敏感。

对于闪电，通过组合控向二级管（SD）和电阻序列（RS）保护输入。如果有一个反向的输入，控向二级管 SD4 和/或SD3将被正向偏压，这时依靠TVS2把电压箝位在安全范围来保护电路。RS1和RS2用来在闪电效应是限制电流，这样可以选用更为合理型号的TVS。SD在不作用时隔离导线，提供低电容瞬时保护。通过偏压电阻BR1和BR2确保SD在除了瞬变外都是反偏压的状态。

2.2.2 A429接收端电路

这种数据总线接收电路通过大于5K欧姆的电阻来防护低频单向的闪电波形，分路滤波元件（shunt）与图2中的电阻共同工作防止产生阻尼正弦波形。滤波分路元件也用于防护闪电带来的冲击电压。

这两种滤波器将使噪音在截止频率以上较低，所以接收端对于射频传导敏感性不敏感。射频能量发射载接收断电路比较低。

2.2.3离散量输入端

图3所示为这种电路的典型EMI/闪电防护原理图。大的串联阻抗（例如一个10k电阻或2个5k电阻）用于限制闪电和射频电流进入I/O线。一个分流元件用于限制在离散读取电路端由射频或闪电引起的电压变化。

对于射频敏感性，这2个元件滤波器能够使输入电路输入端的射频干扰电压低于敏感门限值。

对于闪电，尤其对于单极波形（例如 WF5A），输入信号的状态会有小于一秒种的变化，逻辑状态也许会改变。软件应该有故障容错功能，有必要是在对一个新的输入值有反应前应等待10秒钟。

2.2.4离散量输出

离散量输出电路的能量辐射不显著，电路中装有一个EMI滤波器限制能量发射。EMI滤波器与瞬变电压抑制器（TVS）共同作用防护闪电，如图4。

2.2.5电源线上的EMI滤波

电源输入线应设计有足够的EMI滤波和闪电保护装置。

2.2.6外壳设计

电子设备外壳由成型的或机加的铝材料构成。这种结构用于提供统一的低阻抗和足够的RF屏蔽以满足规定的射频能量发射和射频敏感性等级。外壳配合面是传导的并在配合面提供低阻抗的金属-金属搭接。

机械设计可采用法拉第屏蔽设计理念用来削弱电场和最小化能够产生H-fields 的表面阻抗失谐。机械外壳最小程度使用空隙和孔径（例如连接器外壳）以保持屏蔽效果。

2.3飞机电缆构型

首先评估互联电缆屏蔽的必要性。线缆束由多根屏蔽线（例如双绞和三绞线等）组成，通过屏蔽把敏感信号与噪音信号线隔离。对于电子设备的所有包含RF、通信和高速数据线的屏蔽电缆的终端（电缆的两端）推荐使用360度屏蔽。

由于重量的限制并不要求对所有单根电缆进行屏蔽。单独屏蔽仅用于低电压或有可能产生串扰的情况，并使用多点接地。外部地的阻抗要尽可能的低。

2.4搭接

对于防HIRF和静电，设备到金属结构的足够的搭接是必要的。“猪尾巴”接地连接要尽量避免。当必须采用“猪尾巴”连接时，连接线到设备的长度应该尽可能的短。当使用标准商用托架时应注意确保设备和托架间、托架和结构间的低阻抗搭接。

3结论

电磁环境会使机载电子设备的状态发生变化甚至损坏，对飞机的安全运行产生重要影响。本文结合民用机载电子设备EMC电磁兼容设计特点，对EMC电磁兼容设计原则进行阐述。民用飞机的高安全性要求使得电子设备EMC电磁兼容设计得到了适航审查当局和研制单位的日益重视。

参考文献

[1] RTCA/DO-160G：Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment， December 8，2010.

[2] 马永健.EMC设计工程实务[M].国防工业出版社，2008：73-338.