问题:
如果您能就飞机内400Hz地面电源系统和各种ICT/ELV安装之间的EMC/EMI保护要求提供您的观点/分享您的专业知识,我将不胜感激。
答:
一个有趣而重要的问题!
这个问题太大了,无法在一篇博客文章中全面解决。
(所谓的)“地面结构”
最大的问题是“Ground”(或“Earth”)这个词的使用——因为它可以用在非常特殊和特定的方式,也可以用在非常一般的方式——就像一种行话。
我们永远不能真的理解其他人真的意思是当他们使用“地面”或“地球”时,除非我们花一些时间讨论它详细的物理结构和他们在一起——然后我们经常发现他们自己也不太清楚他们的意思!
我在电子行业的工作生涯(将近50年)都对什么人感到困惑真的意思是,当他们使用“接地”或“接地”(或“接地”或“接地”)这样的词时,已经让公司浪费了大量的时间和金钱,并且仍在造成损失。
出于安全考虑,通常将所有不同的金属制品用电连接在一起。通过使用多点连接来创建网格状或网格状的“接地结构”,可以提高安全性,并降低射频阻抗,从而有可能放宽共享该“接地结构”的不同设备之间的EMC缓解(滤波、屏蔽、ESD/瞬态/浪涌抑制、电隔离等)要求。
如何做到这一点在我关于“系统和安装的EMC”的材料中有详细的实际描述:
- 2000年免费系列文章:beplay官方免费下载https://www.emcstandards.co.uk/emc-for-systems-and-installations-series
- 我和蒂姆·威廉姆斯合著的书,来自:https://www.emcstandards.co.uk/emc-for-systems-and-installations2
- 两本免费旅游指南:https://www.emcstandards.co.uk/good-emc-engineering-practices-in-the-design-an1而且https://www.emcstandards.co.uk/good-emc-engineering-practices-for-fixed-instal2,
- 我最新的培训课程,可以从https://www.emcstandards.co.uk/emc-for-systems-installations2.
以上描述的都是建筑物和场地,但材料很容易扩展到所有/任何类型的交通工具,陆地、海洋、海底、空中(固定翼或旋翼)、太空等。
电偶隔离的电磁(EM)缓解
(即通过滤波、屏蔽、浪涌抑制、电隔离等保护)
在一个极端,典型的一些军事设备/系统设计公司,一个单位的设计师不会相信任何人可能理解的“接地”,所以当他们的单位的金属外壳直接电连接到“接地结构”,他们电隔离所有的电源输入和输出,以及所有的模拟和数字I/ o进入或离开他们的单位。
然后,不管系统的其他部分或装置在他们的单元之外做了什么或没有做什么,他们根本不在乎,只要他们设计了他们的电隔离器和其他电磁缓解,以应对最坏情况下的CM噪声、瞬态和浪涌。
有些甚至将所有的电子设备电隔离(或“浮动”)内部它们的金属外壳。他们这样做似乎是因为他们不明白如何利用蒙皮效应导致射频电流沿表面流动的事实(见:https://www.emcstandards.co.uk/skin-effect-and-surface-currents).
不幸的是,“浮动”内部电子设备和金属外壳和电缆屏蔽内表面之间的大量杂散电容以一种不受控制的方式在某些频率以上将它们耦合在一起。这就产生了许多EMC问题,可能需要大量额外的空间、重量、成本和时间来克服,但是嘿,政府可以负担得起!
无论如何,电偶隔离器必须额定可发生的最高瞬态/浪涌电压,使它们更大,更昂贵,更重。现代射频开关技术甚至可以使4kv级的数字隔离器非常小,代价是射频噪声排放显著增加,因此它们需要更多的滤波和屏蔽,而它们更小的尺寸、成本和重量带来的好处可能不如预期的那么好。
据我所知,至少有一个大型而重要的政府项目被推迟了数年,原因是现代微型数字隔离器发出的噪音出乎意料地高。在2020年,这些微小的数字隔离器发出高达3GHz的过度噪声是很正常的。
通过其他方法缓解电磁干扰
(即通过过滤、屏蔽、浪涌抑制等)
为了设计有效的电磁减缓,我们需要了解:
i)外部电磁对我们设备的威胁,以及它们内部的电磁弱点(易感性);
ii)来自产品内部的电磁威胁(排放物)以及必须遵守的外部排放物限制。
一般来说,航空工业非常擅长以EMC测试标准的形式指定我们需要知道的威胁和敏感性,但我总是建议不要仅仅依赖于其他人提供的规范。
毕竟,如果我们的设备不能像预期的那样工作,证明问题完全是由客户的EMC规范不充分引起的是一项非常昂贵的工作,即使我们打赢了官司,也会让我们负债累累!最好从一开始就谨慎一点,以减少一些非常严重的金融风险。
CM扼流圈的使用对于克服安装中系统之间或系统中不同单元之间的不良“接地结构”所引起的EMC问题大有帮助。
所以,在我看来,任何设计的出发点都是从把每一件设备放在一个屏蔽的金属盒子里开始的,屏蔽每一条信号电缆(并正确地在这两个),外加滤波每一个输入和输出,包括电源,至少有一个共模(CM)阻塞滤波器,外加ESD抑制所有数字I/ o。
如果EMC要求允许,我可以移除电缆屏蔽和/或用一些差分模式(DM)铁氧体珠替换滤波器中的CM阻塞。但是,对于所有的数字I/ o, ESD抑制总是必需的一些数字I/O设备说它们是内置的——尽管我担心它们到底有多坚固。
但如果EMC要求比我的初始设计更严格,我可以使用双屏蔽电缆(两个屏蔽层都正确地终止在这两个结束),和/或增加第二阶段的CM或DM过滤。
滤波器对于抑制瞬态和浪涌非常有用,它们并不仅限于用于连续的射频威胁。然而,一些应用程序可能会遭受强大的低频噪声、瞬态、浪涌等,仅通过滤波无法有效地处理这些问题,因此我们需要将其滤波器与强大的瞬态/浪涌抑制设备相结合,如MOVs、gdt、SADs等。
隔离变压器是非常有效的CM低频噪声/瞬态/浪涌抑制器,并且可以很容易地与DM浪涌抑制装置相结合,以提供出色的保护,以抵御各种恶劣的EM威胁,甚至是雷击的影响-只要变压器的击穿电压足够高。
出于安全原因,通常为交直流电源转换器指定隔离变压器,当与DM浪涌抑制装置结合使用时,它们还可以有效地抑制低频噪声/瞬态和浪涌。隔离变压器也可以用一个或多个绕组间屏蔽,以提高其抑制的频率范围。
信号/数据通常也可以使用隔离变压器(就像以太网一直使用的那样),但是,正如我上面提到的那样,现在的设计人员很可能会被诱惑使用廉价、小型、轻量化的微型数字隔离器——只有在项目后期才发现它们严重的噪声排放问题,即使是很小的变化也会导致大量的额外成本和延迟。
EM分区(有时称为隔离)
为了使电磁缓解技术发挥作用,从而不浪费时间/金钱/空间/重量,有必要了解(并应用!)我们所说的“电磁分区”或“隔离”,该概念最初由IEC TR 61000-5-6:2002“电磁兼容安装和缓解指南-外部电磁影响的缓解”标准化。
不正确的电磁分区意味着“串扰”或“泄漏”往往会破坏电流隔离、滤波、屏蔽、ESD/瞬态/浪涌抑制等电磁保护目的。
如果从一开始就没有内置良好的电磁环境分区,则为应用该分区而进行必要的重新设计以实现适当的电磁环境缓解,通常是困难、昂贵和耗时的。在过去的30年里,我不得不修复许多这样的设计!
然而,我听说过一些项目失败的原因是必要的重新设计的成本/时间太高——通常是在投入了大量资金之后。通常情况下,这样的失败是由设计师不了解如何正确地进行EM分区所导致的,所以他们只是从一个糟糕的设计迭代到另一个糟糕的设计迭代,直到他们的管理层叫停。
每个制造商都希望在不承担太多财务风险的情况下获得良好的利润,这使得确保初始设计具有良好的内置EMC变得非常重要。原因,请参见https://www.emcstandards.co.uk/re-spinning-a-design-re-spin-is-jar.
在哪里可找到有关环境污染分区及环境污染缓解的详细资料
在过去的几年里,我所有的课程都张贴在https://www.emcstandards.co.uk/online-training基于电磁分区方法,他们教授40多年来开发的经过充分验证的设计技术,以(几乎)保证-迄今为止高达24GHz -最快和最低成本的设计/开发项目,超过他们的功能规格,并通过他们在第一个生产原型上的所有EMC测试。
由此产生的设备还应具有最低的总体制造成本,因此具有最大的盈利能力,并具有最低的财务风险。
模块1“SI、PI和EMC的物理基础”描述了电磁分区和缓解的原则,没有实际细节,并发布在https://www.emcstandards.co.uk/the-physical-basis-of-si-pi-and-emc.
具体来说,EM分区将在模块1的第16、17和18节中介绍-它的早期版本可以从https://www.emcstandards.co.uk/go-emgineering-si-pi-emc-webinar-1d(你必须注册成为会员才能获得它,但注册是免费和快速的)。
我的其他模块都非常实用!它们描述了如何选择缓解类型;以及如何根据“威胁级别”和要保护的设备和电缆的免疫能力来确定尺寸:
- 模块2:电缆、电缆屏蔽和连接器
- 单元3:过滤
- 模块4:机箱屏蔽
- 模块9:机电设备抑制
- 模块11:ESD抑制
- 模块12:交流和直流电源的瞬态和浪涌抑制,以及模拟和数字I/ o
- 模块15:低频电能质量问题,如下降、掉线、中断、波形失真、低频CM噪声等。
- 请注意,关于为系统和安装创建良好的“接地结构”和其他EMC问题的实际细节,在本文第一页提供的“系统和安装的EMC”链接中有介绍。
以上所有培训材料的早期版本-在我开发电磁分区方法之前-在我的2010年教科书“EMC设计技术”中出版,ISBN 978-0-9555118-4-4可从https://www.emcstandards.co.uk/emc-design-techniques.
我在2006-2009年写的文章的免费版本beplay官方免费下载,在把它们发展成2010年的教科书之前,发表在https://www.emcstandards.co.uk/design-techniques-for-emc-2006-9-series1.
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我希望这能有所帮助!
祝一切顺利,基思•阿姆斯特朗