EMC的卫星航空电子轨道接地和设计

文章:Rajan Bedi

许多卫星子系统制造商的卫星子系统没有接地或设计,以降低EMI排放和对外部RFI的敏感性。

随着在单个PCB上集成k波段射频、GSPS adc / dac和ghz速度fpga的机载处理变得越来越复杂,卫星接地问题经常出现,特别是具有独立模拟和数字平面的混合信号子系统,以及限制EMI排放和对外部RFI的敏感性。

许多卫星/航天器子系统制造商没有接地或设计效果策略。在他们的航空电子硬件调试期间,一些OEM采用“粘贴式钢筋”方法;问题是,它需要相当多的经常性工程努力和费用,并且可能需要手动安装的其他部件,以提供非理想的修复。在此帖子中,我将引入接地,路由和布局技术,您可以使用它来最大限度地提高性能,并最大限度地减少对外部RFI的EMI排放和易感性,以确保您的设计是恰到好处的,而不会产生额外的组件成本。万博投注网址

首先,始终假设地面是零电位,并且所有频率都没有阻力或电感,但这根本不是用于高速设计的情况,即使在大的铜地面,也总是有一些阻抗。万博投注网址横截面面积。根据定义,流过循环中的导体的改变返回电流会产生自电感,并且这与接地平面的固有薄层电阻一起产生电压降,其幅度随频率和电流的幅度增加。这与地面是零参考的意图相矛盾,并且平面上的电压电位,也称为地面反弹,可以在辐射EMI的外部电缆上产生共模电流。

为了增加混淆,航空电子系统含有许多不同的理由,例如,信号返回,电源返回和机箱引用。电路还可以包含明显的地面(模拟和数字),并且通过确保噪声逻辑不会干扰敏感的模拟子电路,例如,需要仔细管理这些性能,例如,通过敏感的模拟子电路。分区和路由纪律。例如,CMOS是饱和逻辑系列,其上升和下降过渡在电源和地面上产生大的瞬态电流。此外,矩形波形和快速边缘包含高频谐波,其与产生同时开关噪声的接地平面的不需要的阻抗相互作用。

例如,考虑一个小的1U PCB,接地平面测量95×95mm,具有1盎司铜厚度:通过以下等式可以近似该铜层的薄层电阻,r =ρ/ h * l / w。每单位方形为0.48mΩ,其中ρ是导体(1.724e-6Ω-cm)和l,w的大量电阻率分别是平面的长度,宽度和厚度。

地面平面尺寸图图1接地板电阻可以用其尺寸来近似计算。

通过增加接地层的宽度或厚度,可以减小平面的电阻并因此可以减小其电压降。对于该示例,电阻损耗约为0.05mΩ/ cm,由于肤深,频率变大,通过导体改变电流分布。

可以使用以下等式近似上述平面的纸张电感至0.027μH:

计算薄板电感的公式

其中,高度和宽度以毫米表示,长度以厘米表示。铜平面的电感可以通过增加铜平面的宽度或厚度来减小。由此产生的阻抗随频率线性增加,其电压降可以通过降低开关率或前向信号的上升时间来降低,然而,这可能不是时间关键设计的选项。万博投注网址对于上面的例子,电感损耗约为0.0028 μH/cm。

在几何术语中,接地平面具有阻力和电感作用作为高频电路的低阻抗参考。它们还会最大限度地减少RFI排放,并且由于其屏蔽作用,降低对外部EMI的易感性。专用退货平面还使高速信号能够在微带和带状线上作为控制阻抗传输线传输。

通过PCB轨迹流过的高频信号产生更换电磁场,其耦合并引起相邻轨道和电缆的类似电流。携带改变信号的所有互连可以被认为是天线,并且任何良好的散热器的迹线也是一个很好的接收器,即发出EMI的子系统也更容易受到外部RFI的影响。

首先,当前总是流在一个封闭的循环,它总是深刻的观察仔细关注,许多工程师信号痕迹的长度、宽度和特性阻抗,但后来完全忽略另一半的设计,没有考虑到远期路径返回他们的来源。为了尽量减少射频干扰,保持前进和返回路径在一起将抵消它们的磁场和EMI辐射,即限制整个环路的面积。

NH的环路电感对于流过导体的电流并通过相邻接地平面返回的电流取决于每个和它们之间的相互耦合的自电感,并且可以近似为:

l循环=μ.0.H L / W

在μ0.是自由空间的渗透率(32 pH / mil),H是米尔层之间的空间,W和L分别是密耳中的宽度和长度。这假设电流从另一个边缘均匀地流动,然而,在实践中,与平面的连接更像点触点。这增加了电流密度升高自感,因此是整体环路电感,并且通常被称为扩散电感。

In a dc circuit, the return current takes the path of least resistance, however, at the high frequencies used by the latest spacecraft avionics, it takes the path of least inductance, i.e. the reference plane, either VCC or GND, directly above or below the signal trace. This tendency increases as signals get faster and rise/fall times decrease. Every PCB routing layer needs a dedicated, neighbouring reference plane to minimise loop area and cancel the forward and return magnetic fields to limit EMI. To decrease total inductance, we must reduce the self-inductance of the return path by making it as short and wide as possible, i.e. the use of planes, and increase the mutual inductance between the forward and reverse paths by bringing them closer together.

返回信号电流产生磁场,如果没有正确管理,将相互诱导其他迹线中的电压,例如,串扰,其幅度与驱动信号的衍生成比例。对于该环形天线,以下等式近似于A / cm中的返回电流密度,其中H是接地平面上方的迹线的高度,从轨道和IO中垂直距离和IO在放大器中的总攻击器电流。如下所示,耦合到相邻迹线的串扰的幅度减小了增加的距离的平方。因此,它是重要而不是它们的绝对尺寸的比率D / H,因此,电流密度可以在所需的距离单元中表达。作为指导,图2还列出了从使用以下等式计算的跟踪中心的距离±D / H内容的接地平面电流百分比:

DH的等式

用于分配返回电流的图表和表图2该图说明了返回电流的分布。

高速信号希望直接返回其曲目,因为这表示最低阻抗和最小和最小的循环区域的路径。这必须通过设计PCB堆栈和布局来限制EMI的设计,并且大多数与高速航空网相关的EMC问题是由于返回流动的返回电流在他们从未意图的地方流动。电感与环面积成比例,大,无意的返回路径产生更大的电压降(接地反射),其幅度随频率和电流的幅度增加。这些应该尽可能地返回到他们的来源!

当您计划PCB堆栈时,请注意哪个平面为您的高频信号的返回路径,并确保返回驱动程序的畅通无阻的路径。否则,反向电流将找到替代路线,增加其环形区域和电感,其电磁场与其他迹线的边缘领域耦合到这些受害者轨道中的其他痕迹。无意的路径已成为循环天线。

只要参考平面中不存在不连续性,例如,例如分割或通孔,返回电流保持紧密耦合到正向信号,并且创建传输线。无论插槽还是不连续的原因,返回信号都无法直接行进预期的迹线。这又增加了回路区域,电感和正向和返回电场的强度,提高了串扰和EMI的可能性。

如果我们的高频PCB封闭在没有开口(法拉第笼)的盒子内,则所有内部产生的电源和磁场都将包含在此外壳内,并且不需要常见的信号和电源返回机箱,i.e. a star ground. However, in reality, avionics products have apertures for I/O and power connectors which attach to cables.

电缆通常是系统中最长的部分,充当有效的天线,接收和/或辐射噪声。耦合可以通过电场的相互作用电容性地发生,也可以通过磁场的感应性或电磁性发生。通过增加导体之间的物理距离或屏蔽可以降低感应电压,这两种方法都降低了互电容/电感。

非屏蔽电缆的导体直接连接到内部电路;预期的信号以及无意的噪音可以耦合到I / O线上。屏蔽电缆可以最大限度地减少外部排放,只要屏蔽连接到底盘使用低阻抗路径。通常,我将连接器外壳直接拧到壳体避免对尾纤线的需要,这在返回之间增加了不必要的电感。适当的屏蔽继续Faraday笼,必须连接到金属连接器外壳。来自不完美屏蔽的EMI是由通过电缆内信号上的开口或共模电流的辐射引起的。

图像比较非屏蔽和屏蔽的电缆图3此图像显示非屏蔽和屏蔽电缆之间的差异。

电磁干扰排放的一个主要原因是无意识的共模电流在外部电缆和屏蔽相对于底盘。机箱和PCB接地之间的任何阻抗将在它们之间产生电压,出现在I/O信号和参考导线上的源。挡板通常用于将PCB放置在机箱内,并将其返回到机箱接地。护理需要最小化这个连接的电阻和电感与我更喜欢不导电衬垫减少整体循环区域,并使用I / O的外壳和电源连接器提供更直接和lower-impedance常见的PCB参考和底盘之间。

差分模式信号(不与差分对混淆)被定义为沿前向轨迹行进的预期网,并返回相邻接地平面。差分模式辐射来自流过由电路的导体形成的有意环的电流,其用作小环天线辐射磁场。但是,共模信号返回到不同的意外路径。问题是,我们不知道它在哪里流动以及它如何返回,并最小化EMI,我们需要限制循环区域。

随着来自杂散场的能量耦合到正向和返回电流,通常示出在相同方向上行进的共模信号。鉴于这违反了Kirchhoff的定律,即当前必须在循环中流动,如何实现共模信号?进行的和辐射的EMI是相互关联的:板的一部分中的RFI源可以在其他地方产生另一部分。

共模辐射是电路中不需要的电压降的结果,这种电压降导致系统的某些部分处于真正地面之上的电位。当外部电缆连接到系统时,它们由电压驱动,形成辐射电场的天线。如图2所示,返回电流的一部分在参考平面上向外扩展,以找到阻抗最小的路径返回源。有意的(差分模式)高频信号路由到PCB边缘附近,产生近场发射,成为激发开口、电缆和连接器的源。类似地,通过在一个平面的裂口上布置一个临界网,或者通过改变参考层垂直地中断返回电流路径,都会增加环路的大小,从而增加电感,提高与其他信号相互作用的概率,并在其他地方诱发串扰。

美国宇航局的手册无人宇宙飞船的电气接地架构提供有关在航空电子系统和机箱之间创建共同参考的准则,以及讨论不同的回流电流拓扑。

SpaceChips使用以下PCB设计的EMC最佳实践:

  1. 通过最小化电流幅度,边缘速率和切换速率来限制高频信号的转换速率而不会影响性能和定时边距。

  2. 所有高频信号都在其接地平面(一个介电层外)旁边的掩埋层内布线,以提供最低阻抗返回路径,限制环区域,并包含电场。带状线的使用也对诱导串扰特别有效。

电磁场的带状线遏制图图4这里示出了电磁场的带状线遏制。

  1. 高频信号不改变参考图层,只有相同层的侧面,以提供最低阻抗返回路径和限制环路区域。

  2. 顶部和底层是地面平面,以最大限度地减少EMI排放,并且由于其屏蔽作用,降低对外部RFI的易感性。微带的传输线参数因微带和路由轨道而异,更容易发生串扰。

  3. 堆叠包含单独的地面层用于信号和电源返回(或总线返回),这是常见的在机箱使用电源和I/O连接器的金属外壳。

  4. 高频信号从未在电源和返回平面中的分裂上传递。

  5. 将电源平面分配在接地平面旁边提供低电感,高电容跳线电容,去耦和最小化EMI,直到GHz频率。

  6. 将不同层上的高速迹线路由到由地面层分开的I / O信号,以最小化串扰。

  7. 组件,连接器和引脚放置对于最小化轨道长度并包含字段是重要的。单元到单元连接使用360°附件电缆屏蔽到金属底盘。

  8. 在有开口的PCB边缘靠近PCB边缘附近的高频信号时,极度保健。使用接地护罩迹线,20-H规则和缝合通孔可以限制围绕电路板周边的近场边缘效果。保持案例开口小,例如0.25λ或更小,以保持法拉第笼,否则,槽充当波导辐射能量进入自由空间。

SpaceChips还提供了我们教导的差分对,开关模式稳压器和混合信号设备的EMC设计的进一步接地和设计。全球培训课程。在我的下一篇文章中,我将讨论如何从敏感的模拟电路中分离噪声数字返回电流,用于ADC和DAC。

总之,接地和emc设计是在开始电路设计和布局之前需要考虑的系统级问题。在开发PCB堆栈时,要明确考虑返回电流路径及其在其他迹线中诱发串扰的潜力,因为这将提供成功降低传导和辐射EMI排放的最佳机会。共模电流是由我们未能控制和控制的预定网产生的。来自有意信号的非有意信号是PCB中90%以上EMI排放的原因。积极主动,在设计时考虑EMC和正确的首次成功!

直到下个月,第一个告诉我如何创建地面循环将赢得一个火箭科学家的课程世界旅游T恤。恭喜加拿大的Vicky,第一个回答我的谜语以前的文章

这篇文章最初发表于edn.

rajan博士贝蒂是首席执行官和创始人spacechips.,设计和构建了一万博投注网址系列先进的L到Ku-Band,超高吞吐量处理器和用于电信,地球观察,导航,互联网和M2M / IOT卫星的转发器。SpaceChips的设计咨询服务开发定制卫星和航天器子系统,以及向客户提供如何使用和选择合适的组件,以及如何设计,测试,组装和制造空间电子产品。该公司在其培训课程上教导了EMC的基础和设计。

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