卫星锂离子蓄电池组管理单元EMC设计

王亦楠，韩献堂，谢 晨

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

新型能源系统卫星平台是世界卫星技术发展的方向。一种采用电推进技术替代传统的燃料推进技术的卫星，可以将卫星的有效质量从传统的40%提高到90%，是卫星设计技术的革命。在通信卫星领域，采用新型能源系统的卫星平台将带来多个方面的优势。为此，我国开展了新型能源系统卫星的研制，卫星在轨服务寿命达到10年以上，储能电源采用锂离子蓄电池组。锂离子蓄电池组管理单元用于对每节单体电池进行电池电压采集、均衡控制和Bypass控制，使锂离子电池单体电压保持在预期的范围内，保证每节单体电池在卫星寿命期间性能的一致性，使其满足卫星在轨寿命的使用要求。

本文针对锂离子蓄电池组管理单元自身的电路及结构特点，分析EMC干扰源及干扰传导的机理，并根据干扰的产生方式，定制对应措施；再进一步根据仿真，定性地得出电池组管理单元的电磁辐射情况。

1 锂离子电池组管理单元电磁兼容分析

锂离子电池组管理单元中包含二次电源电路、Bypass功率开关电路、下位机电路和测控转接电路。在星载电子设备的EMC测试中[1-2]，一般包括四个方面的内容，即辐射发射测试、传导发射测试、传导敏感度、辐射敏感度。

辐射发射测试实质：测试产品中两种等效天线所产生的辐射信号，第一种是等效天线信号环路，环路是产生的辐射等效天线，这种辐射产生的源头是环路中流动着的电流信号(通常为正常工作信号，它是一种差模信号，如时钟信号及其谐波)；第二种是等效天线模型是单极天线或者偶极子天线，这些被等效成单极天线或者偶极子天线的导体通常是产品中的电缆或其他尺寸较长的导体中流过的共模电流信号。

传导发射的测试实质：大部分的电源端口传导发射问题产生于共模电流，分析其路径和大小有着极其重要的意义。

传导敏感度测试实质：实质上是测试产品的设计是否能避免瞬态共模电流(ESD电流)流过产品，若不流过，则证明其设计合格。

辐射敏感度测试实质：在PCB中，信号从源驱动端出发，传输到负载端，再从负载端将信号回流传回至源端形成信号电流的闭环，即每个信号的传送都包含一个回路。辐射敏感度即为测试测试每个回路感应的电流大小。

2 锂离子电池组管理单元EMC设计

管理单元包括四部分电路，根据电路自身的特点分别进行了EMC干扰源的识别，并有针对性的采取相应措施进行EMC设计，以满足卫星在轨寿命的使用要求。

2.1 二次电源电路

二次电源电路主要由DC/DC、EMI滤波器、磁保持继电器及熔断器组成。

DC/DC选用100 V转±15 V和+5 V的厚膜电源模块。该模块可以为+5 V提供不低于2 A的电流，满足1553B通信模块的功率需求。

EMI滤波器选用专门配置的滤波器模块，以减小DC/DC对母线的反射纹波。滤波器安装时靠近DC/DC与模块的入口，从而降低传导辐射的强度。滤波器的安装位置如图1所示，C代表去耦电容。

图1 滤波器接入位置

2.2 Bypass功率开关电路

Bypass功率开关电路由两只磁保持继电器及其控制电路组成。两只继电器分别串接入功率电源的正、负线上。两只继电器均使用三对触点作为主功率通路，使用另外一对触点搭接通断状态的回传信号电路。

继电器放置在离EMI源尽量远的地方，如开关电源、时钟输出、总线驱动等等。继电器下方PCB板上不能有高速走线或敏感的控制线，在本产品中无法避免，考虑到线圈的方向问题，要使场强方向和线圈的平面平行，保证穿过线圈的磁力线最少。

2.3 下位机电路

下位机电路由单片机、J61580总线控制器、模数转换器和多路开关等构成。

(1)单片机最小单元电路

单片机最小单元电路，主要由单片机、RAM、ROM、复位电路、时钟电路、地址译码电路等组成。

时钟电路EMC要求：一方面使时钟源离单板边缘距离尽量大，另一方面使时钟输出到负载走线尽量短。

(2)J61580总线电路

总线通讯引擎模块采用多芯片封装工艺，主要由一个协议处理芯片和两块收发器芯片构成。内置了4 K×16 bit的RAM，一般应用时无需外挂SRAM，集成了双通道首发器、协议处理器、存储器管理、处理器接口逻辑等。具有总线控制器(BC)/远程终端(RT)/监听终端(MT)三大功能。

J61580内的两块收发器分别连接变压器B3226，形成热备份的主备接口。该主备接口与星上1553B的总线的主备接口保持一致。

(3)A/D及多路开关电路

采用AD574作为模数转换器。AD574是美国AD公司生产的12位高速逐次逼近型模／数变换器，片内自备时钟基准源，变换时间快(25 μs)，数字量输出具有三态缓冲器，可直接与单片机的总线接口连接。

采用Intersil公司的HS1-0546RH和HS1-0548RH作为模拟量的多路选择开关，每只HS-0546具有16路选择功能，每只HS-0548具有8路选择功能，需要4片多路开关完成所有模拟量的采集。

可能引起EMI问题的因素在电路上主要有以下几个方面：

(a)开关有可能在各种回路中直接形成辐射骚扰或者通过耦合传递到电源线上进行辐射发射。

(b)功率开关开通和关断时产生的dU/dt也是开关电源的主要骚扰源，它作为一个电压源，并通过各种耦合路径使电源产品的电源输入/输出线产生共模辐射。

(c)二极管整流电路产生的电磁骚扰：一般主电路中整流二极管产生的反向恢复电流远比续流二极管反向恢复电流小得多，由此也可引起频段覆盖范围较大的骚扰。

针对本产品，尝试在开关电路上加入磁珠以作EMI防护，如图2所示。

图2 磁珠接入位置

对于数模转换部分，在PCB板布局的时候需要将模拟电路部分与数字电路部分分开布局，并且在数模转换器附近增加接地焊盘，减少数模电路之间的相互串扰。其布局如图3所示。

图3 接地螺钉接入位置

2.4 测控转接电路

测控转接电路分为两个部分，一是主要用来调配主备份的遥测通道、主备份遥控及回采电路、主备份OCP控制信号转接电路等信号转接电路，二是Bypass所需的功率主备转接电路。

通过狭缝和开槽的辐射泄露：由于狭缝和开槽的尺寸远小于电磁波的波长，故此部分的泄露也十分微弱(因为信号太微弱，没有通过FEKO仿真出带有壳体的增益)。

线缆上的信号串扰是形成传导干扰的主要原因，因为线缆长度较长，且相互间没有屏蔽，改进方法是将信号及此信号的RTN线做成双绞线。

3 仿真与结果

管理单元结构如图4所示，由结构、电连接器、PCB板等组成。管理终端外部设置有6个安装孔，与锂离子电池结构采用一体化安装，如图4安装完成后，所有PCB板及其他电子元器件采用防尘罩遮盖。

图4 管理单元结构示意图

结构采用镁铝合金，能够起到相当好的屏蔽作用，但结构的一侧只用防尘罩遮盖，可考虑使用薄金属盖板或者对非金属盖板进行导电漆喷涂。

从电磁场辐射的原理分析，运用FEKO电磁仿真软件，PCB板上频率最高为1 MHz。

对位于结构内的下位机PCB板的电磁辐射性质进行仿真(图5)，在相对介电常数为4.2的介质板上覆铜线，以代表电路布线，这些铜线形成了若干的单极子天线或者环天线。馈电采用0～5 V(图6)，频率设置为1 MHz，在距离PCB板1 m处(规范要求)，辐射场的场分布如图7所示，其最大值为5.2×10－5V/m，远低于要求值10－3V/m(某平台电磁兼容性技术要求)，符合要求。

图5 结构与PCB板仿真示意图

图6 馈电示意图

图7 辐射场强度示意图

4 结论

根据理论分析和仿真结果来看，影响管理单元的电磁干扰分为两类，即传导干扰和辐射干扰。对于辐射干扰，由于管理单元模块内部大部分为直流信号，所以其干扰影响有限，且频率都比较低，波长远大于结构的尺寸，难以形成高频的干扰，也不易向外传播。线缆上的信号串扰是形成传导干扰的主要原因，因为线缆长度较长，且相互间没有屏蔽，改进方法是在电池内部将信号及此信号的电池电压采样线做成双绞线，采用措施后，可以满足卫星电子设备的电磁兼容要求。

[1]王志成.星载电子设备试验的电磁干扰三要素分析[J].无线电工程，2009，39(6)：49-51.

[2]张兴国，周新发，江耿丰，等.某星载电子设备电磁干扰问题分析与探讨[J].航天控制，2014，32(4)：86-90.