电磁干扰和瞬时电压峰值抑制的军事标准要求

电磁干扰和瞬时电压峰值抑制的军事标准要求格伦.斯谷特博士VPT公司技术部执行副总裁一、背景：来自电磁干扰和瞬态电压的挑战关于电磁干扰（EMI）和瞬态电压兼容方面，军事以及航空领域的工程师们面临着诸多挑战。由多种不同的军事组织制定的标准，与在各种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。当来自设备某片的电子噪声影响到其它设备正常运行时，电磁干扰标准的目的就是预防那些可能产生的问题。对于电磁干扰缺乏必要的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以及错误读数。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，并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一个挑战，就要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最终客户提出的最严格的要求。本操作说明书将阐述运用于使用开关式电源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由数个不同军事组织提出的各种要求的处理方法。二、电磁干扰（EMI）电磁干扰可划分为四大类：1)传导发射2)传导敏感度3)辐射发射4)辐射敏感度传导噪声沿着连接输出电源总线和设备的电缆传输，而辐射干扰则通过噪声信号的非预期的传输或接收产生。电磁干扰发射标准提到由设备产生的噪声而电磁干扰敏感度标准则描述噪声环境，设备能够适应这些噪声环境且能在其中正常工作。从设计角度出发，传导发射可进一步划分为共模噪声和差模噪声。差模传导噪声由从转换器的一端输入并且从另一端输出的电流产生，这种电流是电路中的标准电流1。另一方面，共模电流在电源线路和回路中沿底盘接地流动且沿回路返回。差模电流一般与电源转换器中的开关电流相关联而共模电流主要是电路中电压脉动的结果。图1、电磁干扰滤波器和瞬态电压抑制功能的实现1因此，“共模噪音”和“差模噪音”两者术语经常被交替使用。电磁兼容要求系统满足传导干扰和发射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设备干扰主电源供应系统方面的效果如何。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I1可由内置和外部滤波器来衰减。开关式电源中的输入电流I2主要为直流，并且带有一特殊的电流纹波。这种带有较高频率峰值的电流纹波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，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在规定的标准下在电源电路中将共模电流和差模电流很好的结合在一起。三、瞬态电压抑制滤波器被用于衰减因电子设备正常运转而产生的电气噪声，而瞬态电压抑制则致力于克服偶尔干扰或间歇干扰的必要性，这些干扰通常发生在配电总线处。这种电源干扰通过大发电机、发动引擎、瞬变负载等配电。它们大致可划分为三大类：1)电压纹波2)电压浪涌3)电压尖峰电压纹波指的是与一标准直流输入电压比较，实际输入电压的变化。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，电压尖峰一般因电抗性负载的转换而产生，这种负载会引起相关的高频、高压震荡，持续时间少于5毫秒。瞬态电压抑制电路的作用是保护EMI滤波器，同时保护下游的电流免于来自这种瞬态电压的破坏。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。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。对于电磁兼容，这些标准包括美国军事部的MIL-STD-461EMI/EMC标准，国内航空的RTCADO-160D标准以及英国国防应用部门的DEFSTAN59-41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DEFSTAN61-5。根据应用于电磁兼容和瞬态电压抑制的多种标准，我们完全有理由相信无论在什么情况下，只要满足最为严格的标准，就可实现对于电源系统的设计。这种“一旦设计，全球应用”的方式可将开发成本的回收最大化，同时也可虑及设计能满足更大范围内的终端应用。例如，一个输入电压总线特性满足MIL-STD-704A规格的设计，通常能满足至MIL-STD-704E标准的所有要求。五、典型智能电磁干扰/瞬态电压抑制系统图1中的动态结构图展示了瞬态电压抑制和电磁干扰滤波的智能系统的基础。系统每个阶段的设计中必须考虑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一系列传递元件的传输中减小。图2、瞬态保护和电磁干扰滤波器智能方案结构图假设源极电源为恒值，线性调节器较高的耗散会限制输入瞬态电压的持续时间，且该瞬态电压会受到瞬态保护模块的阻挡。为了保证瞬态保护模块的安全，要么在时间和振幅上限制输入电压，要么停止负载。瞬态电压规格中特定的性能要求规定了瞬态线性调节器的型号和额定功率。瞬态电压保护电路前端的吸收元件保护电路免于短时、有限能量尖峰的破坏。吸收电压必须足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元件自身受到损坏。电磁干扰滤波器一般由LC滤波的几个阶段构成，同时还包括连接每个轨道和地面的电容。LC各阶段提供差模滤波，而输入共模阻塞门和输出共模电容决定着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，这样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殊负载的要求。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电磁干扰和瞬态电压抑制系统设计成功的关键因素之一是从一开始就要对产品销售的最终市场的特殊要求进行计划，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的大部分是具有相似性（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最佳途径。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，某些方案要求电路通过特定浪涌电压来运行。而在相似输入条件下，其他方案允许设备关闭和恢复。设计者必须保证在设计过程早期明确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种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。需要这些标准是为了让电磁干扰特性能够在不同的测试研发室中得到应用。然而，当测试条件被设计成仿真实际安装环境时，测试研发结果与实地研发结果的相关性通常难以确定。电磁兼容设计的更复杂的难题在于并不是所有的标准按相同的方式测量同一特征。例如，MIL-STD-461C利用电流探针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，DEF-STAN59-41采用电流探针并且以dBuA说明发射量，像461C，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非常有必要明确说明。(三)利用所需的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达到系统兼容的时间。此外，包装滤波器的方案可以单路元件形式实现，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可用来辅助特殊情况下对于包装滤波器模块的使用，但这些特殊情况并未再数据单表中列出。MIL-STD-461传导发射图3、MIL-STD-461CDV200-2812DwithDVMN28EMIFilter图4、DV200-2812D转换器的包装DVMN28EMIFilter/瞬态抑制模块七、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他设备。2.附于电源总线的所有电气部件可以容忍电源总线干扰并能/或在其中运行，在一定操作环境中电源总线干扰典型的干扰方式。几套不同的电磁干扰和电压瞬态规格建立多年以来始终抱有这样的需求。在一些情况下，各种各样的组织结构的标准非常相似，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。满足尽可能多的性能标准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）。因此有必要交替使用系统的全部性能，这个系统具有对于项目的每个应用以及进度的特定要求。即使如此，他们所提供的与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，这些冲突需求主要表现在迅速的系统研制，广泛的最终用途和高效的包装等领域。