解决方案 / Solution

网站首页 -> 解决方案(设计类)解决方案(设计类)

电磁干扰和抑制瞬时电压峰值的军事标准要求

一、背景:来自电磁干扰和瞬态电压的挑战

      关于电磁干扰(EMI)和瞬态电压兼容(transient voltage compliance)方面,军事以及航空领域的工程师们面临着诸多挑战。不同的军事组织制定不同标准,与在商业应用中的相似标准相比,具有更高的严格性。这些标准就测试限制和方法上有时未能达成一致意见。来自某设备的电子噪声可能影响到其它设备正常运行,电磁干扰标准的目的就是预防那些可能产生的问题。缺乏必要的电磁干扰控制会导致噪声干扰, 例如在通讯或计算设备中产生多余的噪声,同样还会在传感器电路中造成假触发(false triggering)以及错误读数(falty reading)。设备的正常运转除了会产生能引起干扰的噪声信号,也会产生相当大的瞬态电压。这些 瞬态电压发生在设备的输入终端,在军事标准中有着详细的说明,且随不同级别的设备所在 的特定环境进行调整。例如,陆地设备就比空降设备具有较多不同的要求。因此,对于军事系统设计者的挑战,是提到设备的电磁干扰和瞬态电压性能,而这些设备的制成将适时满足᳔终客户提出的᳔严格要求。本操作说明书将阐述运用于使用开关式电 源(switched-mode power supplies, SMPS)的军事系统中的电磁干扰和瞬态电压兼容的基础,集中说明电磁干扰和瞬态电压抑制中出现的基本术语以及处理数个不同军事组织提出的各种要求。

二、电磁干扰(EMI)

电磁干扰可划分为四大类:

1)   传导发射  (conducted emission)

2)   传导敏感度  (conducted susceptibility)

3)   辐射发射  (radiated emission)

4)   辐射敏感度  (radiated susceptibility)

       传导噪声(conducted noise) 产生于连接输入电源总线和设备的电缆传输; 而辐射干扰 (radiation interference) 则产生于非预期性的传输或接收噪声信号。电磁干扰发射标准(EMI emission standards)是有关设备产生的”噪声”; 而电磁干扰敏感度标准(EMI susceptibility standards) 则描述,设备能够容忍的”噪声环境”----以便正常运作。从设计角度出发,传导发射可进一步划分为共模噪声(common-mode noise)和差模噪声(differential-mode  noise)。差模传导噪声产生于转换器的输入输出电流  (电路中的正常电流1)。另一方面,共模电流在底盘(chassis ground)流动与电源线路(power line)和地面回路(return line)同向。差模电流一般与电源转换器中的开关电流(switchingcurrents)有关, 而共模电流主 要是电路中电压脉动(pulsating voltages)的结果。


图 1、电磁干扰滤波器和瞬态电压抑制功能的实现


       电磁兼容要求系统满足传导(conducted)干扰和幅射(radiated)干扰所有类型的标准。然 而,考虑滤波器功能时,通常是看滤波器在预防主电源供应系受其设备发射干扰(emissions) 的效果如何。 图 1 显示的是带有外部滤波器和瞬态电压抑制电路的典型开关式电源负载。 开关电流(SMPS switching current) I1可由内置和外部滤波器来衰减。开关式电源的输入电流I2主要为直流,加上特定的电流纹波(ripple current)。这种电流纹波与较高频率的峰值可由滤波器进一步衰减,因此从电源总线流出的电流I3基本为直流。如果I3中仍有一小部分的交流,那么滤波器必须设计成能保证交流成分低于应用标准中规定的水平。开关电流到直流水平的衰减值是衡量滤波器差模性能的一种标准。滤波器共模的有效性可由产生的共模电流(Icm)减少值确定,此共模电流(Icm)通过共模电流源(Icm-source)来传递。有效的电磁干扰滤波器必须使在电源电路中的共模电流和差模电流在规定的标准下

三、瞬态抑制

       滤波器被用于衰减电子设备正常运转产生的电气噪声,而瞬态电压抑制则致力于克服 偶尔干扰或间歇干扰,这些干扰通常发生在配电总线处。这种电源干扰发生于大发电机开 关、发动引擎、瞬变负载等。它们大致可划分为三类:

1)   电压纹波  (voltage ripple)

2)   电压浪涌  (voltage surge)

3)   电压尖峰  (voltage spike)

       电压纹波指的是实际直流输入电压与标准直流输入电压的差异。浪涌由配电总线上的负载瞬变产生,通常持续几毫秒到一百毫秒左右。另一方面,电压尖峰一般因负载的有无开关(reactive load switching)而产生,尖峰有相当的高频、高压振荡,持续时间少于5 毫秒。瞬态电压抑制电路(transient suppression circuit)的作用是保护EMI滤波器,同时保护下游的电路免于来自瞬态电压的破坏。图1显示一输入总线电压(Vbus),以及活动在标准直流电平上的输入浪涌(input surge)。瞬态电压抑制器强制输入电压到一定水平,而这个水平能保证EMI滤波器和下游转换器的安全性,如图1中Vbus所示。这样,瞬态电压抑制功能就与EMI滤波器的敏感度功能相似:它们都保护负载设备免于源自配电总线的干扰。

四、电磁干扰和瞬态电压抑制标准

       全世界的不同组织颁布的诸多标准都提到了电磁干扰和瞬态电压抑制。电磁兼容标准 包括美国军事部的 MIL-STD-461 EMI/EMC 标准,国内航空的 RTCA    DO-160D 标准以及英 国 国 防 应 用 部 门 的  DEF  STAN59-41  标 准 . 关 于 瞬 态 电 压 和 总 线 特 性 的 标 准 则 包 括 MIL-STD-704,MIL-STD-1275,DO-160 和 DEF STAN61-5。应用于电磁兼容和瞬态电压抑制有多种标准,对于电源系统的设计我们相信应满足为严格的标准。这种“一旦设计,全球应用”的方式可将开发成本回收᳔大化,同时设计也可能满足更多终端应用。例如,一个满足 MIL-STD-704A 设计规格的输入电压总线,通常 能满足 MIL-STD-704E 标准的所有要求。

五、典型离散电磁干扰系统/瞬态电压抑制系统  typical discrete EMI/transient suppression systems

        图 1 中的方框图(block diagram)展示了瞬态电压抑制和电磁干扰滤波离散系统的基 础。设计系统的每个部分必须符合不同标准的特殊要求。图 2 展示了图 1 中的功能块是如 何在典型电源系统中工作的。瞬态电压抑制功能采用一线性调节功能,这种线性调节功能在 输入电压超过某特定值时,会切入电路。当线性调节器(linear regulator)工作时,瞬态电压抑 制电路的输出被钳制在某一特定值,输入电压和钳制电压之间的差额在线性调节器的系列 传递组件的传输中会减小。


图 2、瞬态保护和离散电磁干扰滤波器结构图

        源极电源是假设为恒值,线性调节器的电耗散可能很高 阻挡输入瞬态电压的持续时间 因而被限制,为了保证瞬态保护模块的安全,必须限制电压的输入时间和振幅,或停止负 载。对瞬态电压的特定要求会决定瞬态线性调节器的型号和电力功率等级。瞬态电压保护电路前端的吸收组件(transorb elements)保护电路免于短时、有限能量尖峰 的破坏。吸收电压必须够低, 从而充分避免因高压尖峰所引起的破坏,但不允许太低以至于 长时处于过压状态导致吸收组件自身受到损坏。电磁干扰滤波器一般由几个电感电容阶段(LC)构成,同时还包括连接每个电轨(rail)和 底盘地面(chassis ground)的电容。LC 各阶段提供差模滤波,而输入共模阻塞门(input common mode choke)和输出共模电容(output common mode capacitors)决定滤波器共模滤波的性能。瞬 态保护电路放置在电磁干扰滤波器的前端,电磁干扰滤波器各部件可避免受到输入瞬态尖峰 和浪涌的影响,同时电磁干扰滤波器可设计成过滤特定负载的要求.


图 3、MIL-STD-461C DV200-2812D with DVMN28 EMI 滤波器


图 4、DV200-2812D 转换器的包装 DVMN28 EMI Filter/瞬态抑制模块
六、电磁兼容/瞬态电压抑制设计方案

(一)  为设计所用之处计划

     抑制电磁干扰和瞬态电压系统设计成功的关键因素之一是从一开始就对产品的终市场特殊要求进行计划,譬如,针对美国市场所作的设计与针对欧洲或亚洲市场所作的设计采用的方法不同。由于电磁干扰和瞬态电压标准大部分具相似性(而且许多方面近乎相同),所以直接为目标市场的规格服务是᳔佳途径。然而,同样得注意军事市场方面商业市场的不同之处在于,特殊规格标准通常是留给项目管理团队处理。这增加了另一个水平的难度,举个例子,某些方案要求电路必须通过特定浪涌电压。而在相似输入条件下,其它方案允许设备关闭再恢复。设计者必须在设计过程早期确知这些特定的运行要求。

(二)  了解电磁干扰和瞬态电压测试如何进行

      各样的电磁干扰和瞬态电压标准的主要功能之一就是建立能够度量和描述电磁干扰性能的普遍技术。这些标准必须使相同电磁干扰特性能够在不同的测试研发室中得到相同结果。然而,虽然测试环境设计成仿真实际安装环境,通常测试结果与实地结果的相关性仍 难以确定。电磁兼容设计更复杂的难题在于不是所有的标准都按相同的方式测量同一特征。例如,MIL-STD-461C利用电流探针(current probe) 测量输入传导发射并且用dBuA规定发射量,而 MIL-STD-461E采用输入线路阻抗稳网络(LISN)并且以dbuV测量噪声。另一方面,像461C DEF-STAN 59-41采用电流探针并且以dBuA说明发射量,同时还采用与461E一样的输入线路 阻抗稳网络。因此,规定发射量的测试方法必要明确说明。

(三)  按所需拟定包装方案

      为满足全世界各代理所提出的各种各样关于电磁兼容和瞬态电压抑制的要求,需要付诸 相当大的工作量。这种滤波器设计任务常常通过离散滤波器的使用以及其独一无二的设计方 案来实现。然而,与特定电源转换器配套使用的包装滤波器方案可以大大减少系统兼容的时 间。此外,包装滤波器的方案可以单路组件(single unit)实现,从而减少零件数目和简化认证 进程。包装方案的性能通常可提前决定,这可以增加特定方案在特殊应用中的可信赖性。图 3和图4展示了VPT的DVMN电磁干扰滤波器/瞬态电压抑制模块的传导电磁干扰和瞬态电压
性能。这种类型的数据一般可从模块销售商处获得。此外,应用手册和应用特定数据, (也可 从模块销售商处获得), 可用来辅助特殊情况下对于包装滤波器模块的使用,(这些特殊情况
并未在标准数据单表中列出)。

七、结论

       军事系统中所需的电磁干扰滤波和瞬态电压抑制必须保证:

1.    各种各样的电气零件不可产生额外的电气干扰影响其它设备。

2.    附于电源总线的所有部件可以容忍电源总线干扰且在此典型的干扰方式中操作运行。

      几套不同的电磁干扰和电压瞬态规格,建立多年以来说明许多需求。在一些情况下,各种的组织的标准非常相似,而在另外一些情况下它们是差异颇大的,它们的差异要么在测试设备兼容性的方法上,要么在干扰信号的实际电平上。满足多标准规格的方案可使得硬件应用于全世界各种区域。然而,设计者必须意识到在某些应用中,一个满足多种不同规格要求的设计通常是过度设计(因此这种设计会更昂贵,更庞大,更笨重)。因此有必要在系统的
全部性能作取舍,以符合特定应用以及进度的要求。为负载转换器配套的包装电磁干扰/瞬态抑制模块在解决一些冲突需求上占重要的优势: 有助迅速的系统研制,广泛的᳔终用途和高效的包装等。