开关瞬态尖峰传导干扰下放大器防护设计

唐 宇

（1.成都天奥技术发展有限公司，四川 成都 610036；2.电子科技大学，四川 成都 610054）

0 引 言

军用设备及分系统电磁兼容发射要求随手动或自动开关操作而产生的开关瞬态传导发射不应超过额定电压有效值的±50%（交流电源线）或额定电压的50%、-150%（直流电源线），考核开关操作时，电源线与地之间存在的时域尖峰信号是否符合要求[1]。系统电磁环境效应试验方法及系统电磁兼容性要求规定电源线瞬变试验作为系统内电磁兼容性试验的子项，考核平台中状态切换或设备通断时，电源主线与地之间存在的时域尖峰是否符合要求[2-3]。此外，在飞机供电特性要求等标准中，同样对用电设备的电压尖峰提出了限制[4]。由此可见，开关瞬态尖峰作为供电回路中的强干扰信号，是系统、分系统及设备防护设计的重点关注对象。开关瞬态尖峰信号在时域表现为阻尼振荡波形，类似于雷电、电磁脉冲等强电磁干扰耦合在电缆束中的信号[5]。此类信号可对数字信号处理器、放大器等芯片造成损伤或干扰，对开关触发系统等也会造成干扰，造成系统误动作或触发[6]。在某型无人飞机放飞过程中，机上设备按控制指令顺序动作，但某型上装设备A 的发射链路多次失效，地面测控接收信号异常，造成任务无法正常开展。经故障分析与干扰定位，该发射链路中驱动放大器芯片15 管脚熔断，确认该发射链路驱动放大器失效。针对故障现象，本文分析其干扰路径，并对干扰机理展开研究，基于干扰机理分析制定防护设计方案，并加以验证。

1 干扰路径分析

1.1 故障定位及干扰路径

由前文已知，故障现象为地面测控站下行链路信号异常。设备A 中该发射链路与接收链路共用整机供电电源及本振源，而接收链路工作正常，排除整机供电故障或本振故障。进一步测试基带模块，发现基带模块工作正常。此外，经测试，双工器正常。因此，发射链路故障只能由发射通道内部工作异常导致。发射通道原理框图如图1 所示，该发射通道将IFT信号经过两次变频后输出RFT信号。对发射通道输出功率进行测试，测试结果如表1 所示。

表1 发射通道功率测试结果

图1 发射通道原理框图

由表1 可以看到，发射通道功率异常，逐级测试滤波器、变频器、功率放大器均工作正常。进一步测试驱动放大器AH314，发现其输出为0 dBm，对信号无放大作用。AH314 是一款2W 的线性驱动放大器芯片，在设定的频点处理论上具有约24 dB 增益，其S 参数图见图2。因此，判定驱动放大器AH314 出现故障。

图2 驱动放大器S 参数

驱动放大器AH314 芯片内部结构如图3 所示。对出现故障的驱动放大器芯片进行X 射线检查，并与良品进行对比，检查发现失效品管脚15（VCC2，5 V）与芯片之间引线不连续。

图3 AH314 内部结构示意图

由图3 可知，驱动放大器AH314 曾遭受过电应力，导致芯片二级放大区域受到损伤，管脚15 键合金丝熔断，进而失效。检查同型号同批次设备A 供电情况，模块上电时，未发现加电尖峰，5 V 电压及纹波均正常。因此，驱动放大器遭受的电应力只能来自平台其他设备。

依据GJB 181B—2012，机载用电设备应采用浮地设计，即设备输入电源线与设备壳体断开，这既可以避免设备供电输入反接时造成全机掉电，又可以减少因接地造成的干扰问题[7]。基于此，该无人飞机其他设备均采用了浮地设计，但由于设备A 为沿用成品，仍然采用前期方案的共地设计，即输入电源负线与设备A 壳体导通，同时设备A 通过壳体搭接到飞机安装结构件。该无人飞机上装设备供电交联关系如图4 所示。

图4 上装设备供电交联关系图

由图4 可知，当设备B 因开关通断产生瞬态尖峰信号时，差模干扰可通过电网回路进入设备A 供电输入端，共模干扰则可通过共地耦合进入设备A 内部PCB 板后，回归整机电源输入[8]。

1.2 共电网传导干扰

平台供电系统为所有一次用电设备提供电源，图5为共电网交联关系示意，当设备1 状态发生突变时，电源内阻上会产生干扰电流ΔΙ，它会在电源内阻R0上产生一个干扰电压R0·ΔΙ，导致电源端电压变化，从而传递到电路2 中。共电网干扰是由电源内阻引起的传导耦合，仅考虑设备1 产生干扰电压U1S的影响，则图5 可等效为图6 中等效电路[9]。图6 中U2公式为：

图5 共电网交联关系图

图6 共电网传导干扰等效电路

由此可见，只要任何一个负载设备产生干扰，都会通过电源内阻耦合传导到其他负载设备中。

1.3 共地耦合干扰

地线通常可分为安全地和信号地，从安全的角度考虑，电气设备的接地是十分必要的；从电路的角度考虑，接地就是为信号流回源提供低阻抗路径。实际上，地线并不是等电位体，只要有电流流过，就会在地线上产生压降，而且从电磁干扰的角度来讲，导体的阻抗与频率关系很大。表2 中给出了导线阻抗与频率、导线直径、导线长度的关系[10]。

表2 导线的阻抗

由表2 可知，导线阻抗随频率增大而增大。如果将10 Hz 阻抗视为直流电阻，则当频率为50 MHz 时，对于1 m 长的线，它的阻抗是直流电阻的100~5 000 倍。因此，低频时阻抗低的导体，高频时阻抗不一定低，当射频电流流过地线时，它产生的压降是非常大的。

当两个设备地电位不同，形成的地电压会驱使两个设备间互连电缆与地之间形成环路电流[11]。由于电路的不平衡，每根导线上的电流不同，便会产生差模电压，对电路造成干扰。当功率较大的设备与敏感器件共用地线时，地线上产生的电压降就会干扰敏感器件[12]。

如图7 所示，在公共地线上有各种信号电流，并由地线阻抗R产生压降。当这部分电压构成敏感体输入电路的一部分时，公共地线上的耦合电压就会成为干扰输出[13]。

图7 共地耦合干扰模型

2 防护设计

2.1 高频滤波

滤波的作用是仅允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必须的信号频率大幅衰减，进而降低干扰。针对设备A 电源输入可能存在的高频干扰，在设备A 电源输入设计低通滤波器，对高频分量进行滤除。设计的低通滤波电路原理图见图8，通过差模电容抑制差模干扰，采用共模电感抑制共模干扰[14]。

图8 低通滤波电路原理图

2.2 隔离电源

解决共地耦合干扰的基本思路有两类：一是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压；二是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。增加地环路的阻抗，以致达到开路，进而切断地环路干扰，是最常用的解决思路[15]。隔离变压器和光隔离器都是比较常用的技术途径。隔离变压器通过磁场耦合传输信号，避免了直接的电气连接，这时地线的干扰电压出现在变压器的初级和次级之间，而不是在其他设备的输入端，但是它不能传输直流，而且体积较大，成本也高。光耦合器则是最理想的解决方案。 因此，针对设备A 受干扰问题，在设备A 电源输入高频滤波之后增加隔离电源模块，一方面切断差模干扰，另一方面也切断共地耦合干扰的地环路。隔离电源电路原理图如图9 所示。

图9 隔离电源电路原理图

综上，针对设备A 电源输入端，首先设计高频滤波电路；然后进入隔离电源，通过隔离电源为设备A 内部功放、信道、晶振、基带等供电，防护方案原理见图10。

图10 设备A 防护方案原理图

3 试验验证

3.1 单板测试验证

模拟设备A 电路原理，制作驱动放大器测试单板，由温补衰减器、介质滤波器、功率放大器和驱动放大器等组成，测试单板实物图如图11 所示，箭头所示处为驱动放大器芯片AH314。

图11 驱动放大器测试单板实物图

当采用如图12 所示的非隔离电源状态注入干扰时，通过直流稳压电源接口1 使测试单板工作正常，然后通过直流稳压电源接口2 向地回路由小到大注入正电压干扰信号，当注入正电压达到12.2 V 时，驱动放大器管脚19（VCC1，5 V）损坏。更换电路后，通过直流稳压电源接口2 向地回路由小到大注入负电压干扰信号，当注入负电压达到-4.1 V 时，驱动放大器管脚15（VCC2，5 V）损坏，与无人飞机放飞故障现象一致。试验结果表明，在非隔离电源模式下，当地回路存在12.2 V或-4.1 V 及以上干扰信号时，驱动放大器芯片就会失效。

图12 非隔离电源状态注入干扰

当采用如图13 所示的隔离电源状态注入干扰，加干扰电压至±36 V 时，器件工作正常，电流为0.3 A。综上，驱动放大器测试单板在隔离电源模式下，即使地回路存在干扰信号达到±36 V，器件仍可正常工作。

图13 隔离电源状态注入干扰

3.2 实物测试验证

首先，将未进行防护设计的设备A 壳体注入干扰信号，当电源地注入信号超过10 V 时，设备A 发射链路无输出，检查发射通道驱动放大器AH314 输出异常，15 管脚（VCC2，5 V）阻抗与正常状态不符，故障复现。

然后，按照第2 节中防护设计重新进行设备A 制作，在设备A壳体中注入干扰信号，当干扰信号超过10 V时，设备A 工作正常，发射链路正常，驱动放大器AH314未出现故障。

4 结 论

机载设备电源输入应采取浮地设计，由于某无人飞机上装设备A 采用共地设计，平台中感性负载通断产生的开关瞬态信号通过地回路干扰发射链路，造成驱动放大器芯片15 引脚烧毁，器件失效。本文依据设备工作原理逐级排查，确定了耦合路径和干扰机理，开关瞬态干扰信号通过共电网耦合和共地耦合两种方式对驱动放大器芯片产生干扰。然后采取高频滤波滤除共电网传导干扰信号，使用隔离电源增加地环路阻抗，切断共地耦合路径。单板测试和实物测试结果表明，使用隔离电源后，设备A 电源输入与壳体断开，电源输入与隔离电源输入端形成回路，隔离电源输出端与用电器件形成回路。当地回路存在干扰信号时，地回路干扰信号耦合路径被切断，驱动放大器不再受到干扰，设备A 工作正常。

在模拟和数字电路接地设计中，需要充分考虑地线共阻抗耦合干扰以及地环路干扰问题，核心思想是降低地线阻抗和切断地环路耦合路径。针对地环路干扰，可减小地线阻抗、降低干扰电压，或者增加地环路阻抗、降低耦合电流，从而保护敏感器件，使设备正常工作。