飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾的分析及抑制
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閆東東，張 濤，趙 軍，吳恩會(huì)，喬 屹
（天津航空機(jī)電有限公司，天津 300308）
摘要：探討了飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的機(jī)理，針對(duì)不同類型的電磁干擾源產(chǎn)生的影響程度，提出了在工程設(shè)計(jì)中可以有效改善電磁干擾的方法。
關(guān)鍵詞：飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)；電磁干擾；抑制措施 中圖分類號(hào)：V430
0 引言
飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的電磁干擾主要以高強(qiáng)度、寬頻帶的傳導(dǎo)和輻射耦合方式產(chǎn)生，由于點(diǎn)火裝置中的功率開關(guān)電路在開關(guān)過程中電壓變化率和電流變化率非�？�，快速的電流變化和電壓變化產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓是產(chǎn)生電磁干擾的主要干擾源。而飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中儲(chǔ)能電路的充電放電，以及功率開關(guān)器件和次級(jí)線圈輸出整流硅堆的電壓、電流在高頻工作時(shí)的快速開關(guān)切換，都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。因此為了減小或規(guī)避電磁干擾產(chǎn)生的影響，提高飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的電磁兼容性能，根據(jù)飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理來采取對(duì)應(yīng)的抑制措施，在工程設(shè)計(jì)中尤為重要。
1 飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾機(jī)理分析
飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)由點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火電纜和點(diǎn)火電嘴組成。當(dāng)點(diǎn)火裝置接通機(jī)上電源時(shí)，通過濾波電路和頻率控制電路，輸出點(diǎn)火系統(tǒng)的火花頻率控制信號(hào)；經(jīng)過脈寬調(diào)制電路，輸出功率開關(guān)變換電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；功率開關(guān)變換電路接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，將低壓直流電變換為高壓脈沖電，經(jīng)過高壓整流電路整流后對(duì)儲(chǔ)能電容器充電；放電電路接收到由頻率控制電路和可控硅控制電路輸出的點(diǎn)火系統(tǒng)的火花頻率控制信號(hào)后，對(duì)儲(chǔ)能電容器進(jìn)行放電，輸出高壓脈沖電給點(diǎn)火電纜，點(diǎn)火電纜將高壓脈沖電傳輸至點(diǎn)火電嘴發(fā)火端面，擊穿發(fā)火間隙產(chǎn)生電火花以點(diǎn)燃飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的空氣燃油混合氣。圖1為飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的原理框圖。
由于飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)高頻高能脈沖工作的特點(diǎn)，電磁干擾的傳導(dǎo)和輻射貫穿在整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)的輸入回路和輸出回路中。其主要原因是點(diǎn)火裝置在完成初級(jí)線圈和次級(jí)線圈能量轉(zhuǎn)移時(shí)功率開關(guān)電路產(chǎn)生了高頻干擾信號(hào)；當(dāng)次級(jí)電路的充電電壓達(dá)到要求值時(shí)，儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容中的高壓脈沖電通過放電電路迅速釋放，經(jīng)點(diǎn)火電纜傳輸至點(diǎn)火電嘴的發(fā)火端面而產(chǎn)生雪崩式電容放電，放電特點(diǎn)為時(shí)間短、電流大；受這種雪崩式電容放電和高頻變壓器初次級(jí)間分布電容的綜合復(fù)雜影響，使得電磁干擾信號(hào)在點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)部電路中耦合傳導(dǎo)并向空間輻射。
2 點(diǎn)火裝置功率開關(guān)電路中的干擾源
飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中的點(diǎn)火裝置大多采用由MOS開關(guān)電路和高頻變壓器組成的他激式直流變換開關(guān)電路原理，通過控制開關(guān)管的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，點(diǎn)火裝置之所以產(chǎn)生電磁干擾是由于其中的開關(guān)變換電路的工作頻率高（幾十至上百kHz）、電壓電流變化率大，且這種頻帶寬、諧波雜的電磁干擾信號(hào)通過電源線以共模和差模的方式向外傳輸干擾，同時(shí)又向周圍空間輻射干擾。
2.1 功率開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾
在功率開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，高頻變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，由于電流突變，高頻變壓器的初級(jí)線圈會(huì)有漏感產(chǎn)生，漏感中的能量在開關(guān)管快速開關(guān)切換瞬間產(chǎn)生的衰減振蕩疊加在功率開關(guān)管的關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷尖峰電壓，這種干擾信號(hào)會(huì)耦合輸入輸出回路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。
2.2 次級(jí)高壓整流硅堆的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾
在點(diǎn)火裝置次級(jí)線圈高頻整流回路中的整流硅堆（二極管）正向?qū)ㄋ查g，流過管子的正向電流較大；而在反向截止瞬間，電流會(huì)由于PN結(jié)中的載流子積累較多而產(chǎn)生反向流動(dòng)，由于反向恢復(fù)時(shí)間太短(tn≤1μs)，致使整流硅堆在反向截止瞬間產(chǎn)生很大的電流變化率，引起反向恢復(fù)電流的高頻衰減振蕩，因此，這種振蕩信號(hào)也是點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾的一個(gè)重要干擾源。
2.3PCB布線及寄生參數(shù)引起的干擾
點(diǎn)火裝置通常采用手動(dòng)方式進(jìn)行印制電路板(PCB)的線路布置和元器件的布局，布線和元器件布局的不合理也會(huì)引起點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾的產(chǎn)生，尤其高頻變壓器初、次級(jí)之間在完成能量轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多的高頻諧波分量。PCB布線的長和寬決定其阻抗和感抗，進(jìn)而影響PCB線路的頻率響應(yīng)。另外，功率開關(guān)變換電路中分布參數(shù)的存在、點(diǎn)火系統(tǒng)高頻變壓器初次級(jí)線圈間分布電容和漏感的影響也是電磁干擾產(chǎn)生的原因之一，以高頻變壓器為例，電磁干擾信號(hào)會(huì)耦合高頻變壓器初、次級(jí)線圈間的分布電容傳輸至輸入回路而發(fā)生傳導(dǎo)干擾。
3 飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾的抑制措施
通過分析飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生的幾種原因，應(yīng)通過采取抑制（消除）干擾源、切斷設(shè)備之間的傳導(dǎo)輻射路徑、提高受擾設(shè)備的抗擾能力等方法來進(jìn)行抑制。目前，在飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，尤其點(diǎn)火裝置的功率開關(guān)電路的設(shè)計(jì)中，基本上都是采用切斷干擾源和干擾設(shè)備之間的耦合路徑，即屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)和接地技術(shù)等方法來抑制干擾源。
3.1 高頻變壓器的屏蔽設(shè)計(jì)
為了減�。ㄇ袛啵└哳l變壓器初、次級(jí)間線圈由于分布電容耦合產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)，在高頻變壓器的初、次級(jí)線圈間接入屏蔽層，并將屏蔽層接地。加入屏蔽層后，由于次級(jí)回路中干擾信號(hào)向初級(jí)回路耦合的分布電容路徑被屏蔽層屏蔽切斷，通過對(duì)地電容釋放，故次級(jí)回路中的電磁干擾分量不再通過分布電容向初級(jí)回路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。圖2為不同變壓器設(shè)計(jì)的點(diǎn)火裝置電磁干擾信號(hào)傳導(dǎo)路徑。
3.2EMI濾波器設(shè)計(jì)
在飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中加入電源濾波器主要是為了抑制（消除）電源線的電磁干擾，電源線干擾分為共模干擾和差模干擾。共模干擾主要指電源線與地線之間的電位差，通常用共模濾波來抑制或消除；差模干擾主要指同一條電路上的電位差，采用差模濾波可抑制差模干擾。
圖3為一種采用三端電容的EMI電源濾波器，其中C1、C2用于濾除差模干擾信號(hào)，C3、C4用于濾除共模干擾信號(hào)，電感線圈L為共模扼流圈，它為同向繞制在磁環(huán)上的一對(duì)線圈，對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈（串聯(lián)在電源正線和電源負(fù)線的兩個(gè)線圈）產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，共模扼流圈表現(xiàn)出較大的阻抗，從而起到衰減信號(hào)的作用。而對(duì)于差模信號(hào)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)抵消，這樣就不會(huì)對(duì)電源傳導(dǎo)功能產(chǎn)生影響。
在高頻電路中，普通兩端電容器的引線具有電感分量，所以影響了其高頻特性。而三端電容器在結(jié)構(gòu)上可以做到與電容器串聯(lián)的剩余電感分量很小，因此其插入損耗特性優(yōu)于兩端電容器，從而改善了電容器的高頻特性，圖3中的C3、C4為三端電容器（L c為三端電容器信號(hào)線上的等效串聯(lián)電感），用于抑制或消除電路中的高頻干擾信號(hào)。
3.3PCB設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)
為減小飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的內(nèi)部干擾，提高點(diǎn)火裝置中功率開關(guān)電路的穩(wěn)定性和可靠性，在點(diǎn)火裝置電路PCB設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①數(shù)字控制電路與模擬電路PCB布線應(yīng)正確區(qū)分，不能交叉布置；②數(shù)字控制電路與模擬電路的電源應(yīng)通過去耦電容正確去耦；③數(shù)字控制電路、模擬電路和采樣電路應(yīng)單點(diǎn)接地，以減小共阻干擾和地環(huán)影響；④布線時(shí)應(yīng)注意相鄰線之間的間距及信號(hào)性質(zhì)，避免產(chǎn)生串?dāng)_；⑤減小地線阻抗；⑥減小高頻變壓器的漏電感、濾波電感的分布電容；⑦減小功率開關(guān)變換電路、EMI電源濾波電容電路所包圍的面積；⑧減小次級(jí)整流電路與直流濾波電路所包圍的面積；⑨采用諧振頻率高的濾波電容器等，
4 總結(jié)
隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中功率開關(guān)器件的工作頻率越來越高，控制高頻電磁干擾信號(hào)的傳導(dǎo)和輻射、提高飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)電磁兼容穩(wěn)定性成為飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的技術(shù)。本文淺析了飛機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理和抑制措施，在工程設(shè)計(jì)中可以起到一定的指導(dǎo)作用。
