座舱显示器电磁兼容设计

太原航空仪表有限公司 赵 岩

1 引言

随着电子技术的发展、电子设备应用的普及，电子系统的规模越来越庞大，安装越来越密集，设备内部元器件密度也越来越高。同时，设备间的数据通信频率也越来越高。使得电子设备之间、设备内部电路之间的干扰问题越来越突出。特别是在现代飞机座舱仪表，普遍采用电子仪表，并且高度集中，各设备的电磁兼容（干扰与抗干扰）问题异常突出，本文主要的研究对象是飞机座舱显示器的电磁兼容设计，讲述了常用的设计思路以及问题解决方法。

2 电磁兼容相关理论

电磁兼容性（EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。通俗的来讲，是在有限的空间、时间和频谱资源条件下，各种用电设备（广义的包括生物体）可以共存、且不会引起降级的能力。

电磁兼容涉及电磁能量的发射、传输和接受，这三个方面构成电磁兼容问题的基本框架。源产生辐射，传输途径或耦合将辐射能量传递到接受者，即“干扰源→干扰途径→被干扰对象”构成了电磁兼容问题的三要素。这三要素同时存在，电磁问题才会出现，而解决电磁兼容问题的方向也在这三要素中，也就是通常使用的滤波、屏蔽、接地。

3 电磁兼容设计

3.1 滤波设计

分离信号、抑制干扰时滤波器的基本功能，常用的滤波器件包括电阻、电容、电感和磁珠磁环（高频信号使用），通过这些器件可以构成无源低通网络，也就是滤波器。

在低频电源滤波时，要考虑到产品开关电源产生的噪声干扰，但是一般电源线上滤波器在超过30MHz时，性能开始变差，干扰会造成空间耦合。这时需要进行以下改善：

（1）滤波器的连线要按照电路结构向一个方向布置，在空间允许的情况下，电感和电容保持一定距离，必要时进行隔离，减少耦合；

（2）控制电感寄生电容，必要时，可以多个电感串联，电容的引线要尽量短；

（3）有效的接地，必须保证电容、壳体的有效接地。

在高频信号滤波时，要考虑PCB上信号的时钟频率以及信号完整性要求，进行以下改善：

（1）采用大面积铜皮作电源面（滤波后的干净电源），替代总线形式的电源走线，同时将电源面靠近接地平面；

（2）信号走线时，避免天线效应和阻抗突变情况，避免出现磁平面切割走线；

（3）合理使用旁路电容和去耦电容；

（4）避免信号地（滤波后的地平面）和电源地（滤波前的地平面）出现共地干扰，使滤波失去作用。

3.2 屏蔽设计

屏蔽就是对两个空间区域进行电磁隔离，控制电场、磁场和电磁波对外辐射，同时防止自身受到的干扰。屏蔽针对的干扰不同，采取的措施也不同，对于磁场屏蔽，也就是对低阻抗源的屏蔽，为磁场提供一条低磁阻通路，使屏蔽体内部空间的磁场大大减少；对于电场屏蔽，也就是在干扰源和感受器之间插入铜、铝之类的良导体，其目的就是要减少两者之间的分布电容。

而对于座舱仪表，直接安装在仪表板上，一般是考虑电磁屏蔽，也就是用屏蔽体来阻止电磁场在空间传播，屏蔽的效果与电磁场的性质以及屏蔽体自身的特性有关。电磁屏蔽设计时应注意以下几点：

（1）判断干扰源、敏感设备及耦合方式，确定屏蔽对象。一般来说高电平电路时干扰源，低电平电路时敏感设备。在仪表设计时，电源转换电路被当做干扰源，需要在整个线路板上进行铺铜（壳体地）进行屏蔽，高频信号如视频信号等容易受干扰的信号尽量与电源进行空间上的隔离或者保持一定的空间距离；判断产品容易出现屏蔽泄露的地方，由于座舱仪表是作为显示终端和进行人机工效的输入端，在屏蔽时，前面显示模块和操作部件使整个产品机体无法形成一个完整的屏蔽腔体，属于容易造成屏蔽泄露的地方，所以在拼接和走线部分注意在保证足够拼接面的情况下，通常可以使用金属丝网衬垫(带橡胶芯的和空心的)、导电橡胶(不同导电填充物的)、指形簧片和导电布等几种方式对拼接缝隙进行处理。

（2）仪表结构避免不必要的拼接，由于目前通讯信号频率越来越高，信号波长和拼接缝隙变的可比拟（约十分之一），干扰通过缝隙可干扰到内部电路或者辐射到外部。

（3）对于高频信号，电缆屏蔽采用3600屏蔽，保证屏蔽的可靠性。

（4）屏蔽体需要有效的接地。

3.3 接地设计

飞机上电子设备的接地方式是将机体作为等位面，所有组件的壳体都连接到飞机的基本结构上，可以使由于静电感应而在机壳上积累的大量电荷通过机体释放，同时，还能提供电源电流返回通路。

由于飞机上的壳体地是所有设备的公共地，各个设备对地的处理方式也不尽相同，实际上，底线上各点的点位是存在差异的，也就是存在大量地线噪声。同时，对于高频信号的地平面，相当于一个交流回路，电流返回通路并不是寻找电阻的最小通路，而是阻抗的最小通路。直流电时，电流在导体界面内均匀分布，交流时，会出现趋肤效应，电流会趋向于导体表面流动，频率越大，内部的阻性越强。也就是说，交流时，在截面积相同的情况下，扁线要比园线的阻抗要低，因为矩形截面的周长要大于圆截面的周长。接地设计时一般注意以下几点：

（1）确定产品的地种类，信号地，电源地，大地（安全地、机壳地、屏蔽地、防雷接地）等，各地之间尽量隔离，尤其是机上壳体地干扰较严重，要与其他信号地进行隔离；

（2）通常情况下，低频电路采用单点（并联和串联）接地，而高频电路采用多点接地，这种结构能够提供较低的接地阻抗，每条地线可以做到很短，并能降低接地导体的总电感；混合接地时两者的结合，在有些设备中，有高频、低频电路，各电路单元内部采用自己的接地方式（多点或单点接地），再将各单元地线采用并联一点接地接到系统地；

（3）电流总返回其源，要保证每个电流回路都有一个地回路，同时，回路也可能有不同的路径，每条路径上的电流幅值不同，这与该路径的阻抗有关，避免在不想出现电流的路径上设计成回路；

（4）一旦电流流过有限的阻抗，就会出现压差，要注意不同地平面的电势差，避免因电势不同，造成产品故障；

（5）在设计期间，就考虑接地是解决电磁兼容问题最经济的方法。

4 问题验证

某座舱仪表在进行整机EMC试验时，发现仪表出现复位重启，在大功率辐射1G频率左右，画面出现干扰，并且对电台通话进行干扰。对产品进行分析如下：

（1）仪表内部具有DVI视频总线，分辨率为1920×1080，时钟频率达到148.5MHz。DVI是通过4组差分线传输，单组数据差分线带宽为1.48G。当干扰频率与视频信号带宽范围内，会对视频信号产生较大干扰，电磁波的波长=光速/频率，1G～4G的对应的波长为30cm～7.5cm左右，而波长与缝隙长度可比拟时（约1/4左右），电磁辐射最敏感，与仪表目前的缝隙长度比较吻合；

（2）目前仪表将电缆的屏蔽层作为信号地，同时与飞机机体相连，失去了屏蔽作用，造成两面隐患，一是在高频信号上，整个电缆作为一个天线，对外发生辐射，二是引入的地平面干扰，信号地的电流回路可以通过壳体直接回到飞机的汇流条，而不再经过仪表的滤波电路。

针对以上问题，进行改进，减少仪表的拼接缝隙，采用一体化设计，在有缝隙的地方，增加拼接面积，铺设导电胶条；仪表的信号地和壳体地进行隔离；在电缆外增加防波套，两端进行3600屏蔽处理。改进后进行试验，电磁兼容问题解决。

5 结束语

主要介绍了飞机座舱显示器的电磁兼容设计。分析了电磁兼容问题中滤波设计、屏蔽设计和接地设计，并对出现电磁兼容问题进行分析处理，通过试验表明该措施合理可行。

[1]苏东林,戴飞,谢树果．系统级电磁兼容量化设计理论与方法[M]．北京∶国防出版社,2015．