滤波电路的电磁脉冲防护效应研究

赵 展，尚逸帆，赵启龙，韩 潇，金小萍

（上海宇航系统工程研究所，上海201109）

0 引言

随着电子产品集成度越来越高，航天器所处的电磁环境亦更加复杂。一旦电磁脉冲干扰导致处理电路的逻辑错误，相关电路功能就可能部分或全部失效，这将对航天器的通讯和控制等电气系统产生致命影响，因此电路的电磁防护能力至关重要[1-3]。

1 滤波电路的防护原理

要探讨防护滤波电路对电磁脉冲的抑制与防护原理，可借用“大禹治水”的基本理念来理解问题，从本质上来说就是“疏”与“堵”的理念。在电磁脉冲防护滤波电路中，电容、TVS 器件起到的是对干扰的疏导作用；磁珠、共模电感起到的是阻塞与抑制作用[4-6]。

1.1 互容耦合方式滤波机理分析

互容与互感是2 个电路相互之间的2 种常见耦合方式。由于电容实际是由2 个导体构成，因此2 根导线就构成了一个电容，称这个电容是导线之间的寄生电容。 由于这个电容的存在，一个导线中的能量能够耦合到另一个导线上，这种相互之间的耦合称为电容耦合或电场耦合。

现在假设如下场景的电容性耦合，如图1(a)所示：电路1 为骚扰源电路，电路2 为敏感电路，C 为导线1与导线2 间的分布电容。

对于容性耦合特性，其电路可等效为如图1(b)所示的并联电流源注入模型，电流源模型属于源阻抗为高阻的耦合模型，防护滤波设计的目的是降低U2的耦合电压值。

假设电流源的注入电流值是一定的，应用基础的电路理论知识，此时可以采用相应的滤波电路形式来达成降低U2耦合电压值的目的，如图2 所示。

图1 互容耦合的等效电流源电路

图2 互容耦合的滤波电路原理分析

在源电流一定、RG2负载阻抗值一定的条件下，U2的大小取决于流过其上面的电流值。在没有滤波电路时，该电流值取决于RG2与RL2的比值大小，当在2个阻抗之间插入滤波电路之后，如果Zf远远大于RL2，且在特定干扰频率的阻抗条件下，Cf的阻抗值远远小于RG2，那么就可以获得非常低的U2值，滤波电路达到预期目的。

1.2 互感耦合方式滤波机理分析

当一根导线上的电流发生变化，而引起周围的磁场发生变化时，恰好另一根导线在这个变化的磁场中，则这根导线上就会感应出电动势。 于是一根导线上的信号就耦合进了另一根导线，这种耦合称为电感性耦合或磁耦合。互感性耦合也称为磁耦合，它是由磁场的作用所引起的，互感耦合的原理图如图3（a）所示，等效电路图如图3（b）所示，根据电路的感应电动势规则，可获得被耦合电路的感应电压值UN=jωMI1。

图3 互感耦合的等效电路

此时可以采用相应的滤波电路形式来降低R 上的U 值，如图4 所示。

对于电压源耦合模型，噪声在耦合回路上同样需要满足基本的电路定律——基尔霍夫定律。此时的目的是降低R 上的U 值，只需要在回路上串联等效阻抗Zf，当Zf远 远大于R 时，耦 合电压源UN在R 上的 影响就可以最小化。

在无法满足Zf远远大于R 的条件下，可以尝试在特定的频率下，使得ZC远远小于R2的值，此时也可以同样达到电路滤波的设计目的。

图4 互感耦合的滤波电路原理分析

2 常用信号接口的滤波解决方案

根据上文机理分析，给出航天常用RS422、LVDS、CAN、OC 门开关模拟量几种信号接口的滤波电路，电路可以满足国军标GJB 152 的相关测试验证要求，参数选择都考虑到各种接口的传输特点，对信号传输质量无影响。

2.1 RS422 防护滤波电路设计

1）滤波电路实现形式，如图5所示。

图5 RS 422 防护滤波电路示意图

2）参数说明：共模电感型号为510YT，对地电容值为33 pF，TVS 管BV05C。

3）电路差损仿真，如图6 所示。

图6 RS 422 滤波电路插损值仿真

2.2 LVDS 防护滤波电路设计

1）滤波电路实现形式,如图7所示。

2）参数说明：属于高速信号，单用120 Ω 的共模电感。

图7 LVDS 防护滤波电路示意图

3）电路插损仿真,如图8 所示。

图8 LVDS 滤波电路插损值仿真

2.3 CAN 接口防护滤波电路设计

1）滤波电路实现形式,如图9 所示。

图9 CAN 接口防护滤波电路示意图

2）参数说明：共模电感型号为510YT，对地电容值为33 pF。

3）电路插损仿真,如图10 所示。

图10 CAN 接口滤波电路插损值仿真

2.4 OC 门开关模拟量电路防护滤波设计

1）滤波电路实现形式，如图11 所示。

2）参数说明：对地电容10 nF，磁珠900 Ω。

图11 OC 门开关防护滤波电路示意图

3）电路插损仿真,如图12 所示。

图12 OC 门滤波电路插损值仿真

3 滤波电路解决方案验证测试

3.1 ESD 测试试验

针对ESD 测试参数进行设置，如表1所示。

表1 ESD 测试参数

ESD 测试试验布置如图13—14 所示。

图13 ESD 静电放电抗扰度测试布置图

3.2 辐射敏感度测试试验

针对辐射敏感度测试参数进行设置,如表2所示。

图14 ESD 测试实物现场布置图

表2 辐射敏感度测试参数

辐射敏感度测试试验布置如图15—16 所示。

图15 辐射敏感度项目测试布置图

图16 测试实物现场布置图

3.3 滤波电路试验测试数据

3.3.1 ESD 耦合方式测试数据记录

1）RS422 通讯测试记录,如表3 所示。

2）LVDS 通讯测试记录,如表4所示。

表3 RS422 测试数据

表4 LVDS 测试数据

3）CAN 通讯测试记录,如表5所示。

表5 CAN 通讯线缆测试数据

4）OC 门测试记录,如表6 所示。

表6 OC 门线缆测试数据

5）模拟量测试记录，如表7所示。

表7 模拟量线缆测试数据

3.3.2 辐射敏感度耦合方式测试数据记录

分别针对CAN 总线、LVDS、RS 422、OC 门、AD数据采集进行辐射敏感度耦合测试，测试场强分为30 V/m、50 V/m 和100 V/m，测 试 频 率 覆 盖80～1 000 MHz。

1）测试场强30 V/m,如表8 所示。

表8 测试场强30 V/m

2）测试场强50 V/m,如表9 所示。

表9 测试场强50 V/m

3）测试场强100 V/m，如表10 所示。

3.4 滤波电路+屏蔽试验测试数据

根据上述测试结果，使用滤波电路能够对电磁脉冲起到较好的抑制作用，但仍有少许误码现象存在，因此在滤波电路基础上增加屏蔽线缆双重防护措施后进一步测试。

3.4.1 滤波板+屏蔽线ESD 测试数据

采用滤波板+屏蔽线措施，分别针对RS422、LVDS、CAN、OC 门、模拟量进行ESD 测试。

1）RS422 通讯测试记录,如表11 所示。

表10 测试场强100 V/m

表11 RS422 通讯测试数据

2）LVDS 通讯测试记录,如表12 所示。

表12 LVDS 通讯测试数据

3）CAN 通讯测试记录,如表13 所示。

表13 CAN 通讯测试数据

4）OC 门测试记录,如表14 所示。

表14 OC 门测试数据

5）模拟量测试记录，如表15 所示。

表15 模拟量测试数据

3.4.2 滤波板+屏蔽线辐射敏感度测试据

采用滤波板+屏蔽线措施，在30 V/m、50 V/m、100 V/m 条件下，分别针对RS422、LVDS、CAN、OC门、AD 数据采集进行辐射敏感度测试,如表16 所示。

表16 滤波板+屏蔽线辐射敏感度测试数据

3.5 测试结果分析

1）对比无滤波电路测试数据，增加防护滤波电路后，对电磁脉冲干扰有较好的防护作用；

2）对比滤波单独防护方式的测试数据，采用滤波和屏蔽线双重措施后，测试结果进一步改善，而且LVDS 和CAN 总线使用屏蔽线+滤波的效果要明显优于单独使用滤波一种措施；

3）LVDS 属于系统中的高敏感信号，设计中需要重点考虑滤波防护措施；

4）在航天器系统设计时应充分考虑LVDS 信号的系统信号走线的布局设计，尽量避免与强干扰信号出现互容、互感耦合；

5）建议航天器系统设计时，在关键信号接口上屏蔽线+接口防护滤波方案同时使用，可以在很大程度上提升该信号接口电路的电磁脉冲抗干扰能力。

4 结束语

本文分析了滤波电路的耦合防护机理，并给出了常用信号接口的防护滤波电路。常用信号的ESD 电磁脉冲耦合测试和辐射敏感度耦合测试，表明如LVDS 等高敏感信号受电磁脉冲干扰影响很大，采用合理的滤波电路后能够对干扰产生有效的抑制效果，滤波电路结合屏蔽线缆共同使用能够更好地解决电磁脉冲干扰问题，该项研究能偶为后续航天工程应用提供有力支撑。