Erik J. Borgstrom, Environ实验室有限责任公司,明尼苏达州布卢明顿,美国
概述
RTCA / - 160 g,机载设备的环境条件和试验程序由RTCA 135特别委员会编写,于2010年12月8日发布,取代了之前的版本DO-160F[1]。
DO-160G涵盖了测试航空电气和电子设备(航空电子设备)的标准程序和环境测试标准。DO-160G中规定的测试通常是为了满足美国联邦航空管理局(FAA)或其他国际法规,这些法规涉及安装在商用飞机上的电气或电子设备。
DO-160G中的测试和测试级别/限制(也称为“设备类别”)几乎适用于当今使用的所有类型的飞机,包括小型通用航空飞机、公务机、直升机、支线飞机和“大型喷气式飞机”,如空客(A350XWB)和波音(747-8)的最新客机。
该文件包括26节和3个附录,但涉及EMC的是第15至23节和第25节。DO-160G中涵盖的测试示例包括:温度、海拔、振动、沙子/灰尘、电源输入、射频敏感性、闪电和静电放电。
DO-160G的创建和修订与RTCA的欧盟姐妹组织EUROCAE协调。由于这两个组织的跨大西洋合作和共同努力,RTCA/DO-160G和它的欧洲孪生兄弟EUROCAE/ED-14G的措辞完全相同。
本文的目的是概述DO-160G中涉及EMC的各个部分。最后,我们将展望SC-135的未来方向,以及DO-160未来修订的时间表,以及DO-160用户指南。
第1至3节:
前三个部分涵盖了DO-160的目的和适用性(第1节),提供了贯穿整个文档的术语定义(第2节),并给出了测试条件(第3节)。这前三个部分在DO-160的所有后续章节中都被引用,并提供了正确执行指定测试所需的一般信息和指导。
DO-160G有什么新功能
- 在第1节中,在许多章节之后的附录中发现了对用户指南材料的讨论,并确认在用户指南中发现的任何信息仅为指南(强调添加)。
- 在第2节中,涉及“类别测试和声明”的附加指导。特别是,第2.8节现在指出,如果设备符合某一特定类别,则可以认为该设备符合任何其他不那么严重的类别。
- 在第3节中,涉及“敏感性测试的EUT配置”的附加指南,特别关注测试期间使用的固件和/或软件。
第15节:磁效应
这个“MC”(代表“磁兼容性”,而不是“EMC”电-磁兼容性)测试用于确定被测设备(EUT)将使罗盘指针偏转多少,或影响磁场传感器(也称为“磁通门”)的指示。
唯一需要的测试设备是一个标准罗盘,它有一个足够大的刻度盘来读取针的偏转程度,或者一个“等效的磁传感器”(电子罗盘)。EUT只是在东西向的直线上靠近指南针,直到观察到偏离磁北的一个度的偏转。然后测量分离距离,并确定“设备类别”。
设备类
EUT与罗盘(或罗盘传感器)之间的安装距离小于30厘米到大于300厘米,有5个设备类别(Y、Z、A、B和C)。
DO-160G有什么新功能
- 图15-1所示的测试安装和程序进行了修订,以更好地展示如何正确设置EUT和罗盘(传感器)进行测试,以及如何正确确定观察到一度针偏转的距离。
第16节:电源输入
虽然有人认为“电源输入”(或其他标准中提到的“电源质量”)测试不是真正的EMC测试,但在这里包含它们有两个原因:
1)电源输入/质量测试通常由EMC测试人员在EMC实验室进行。
2)在最新版本的DO-160中,一些测试的频率范围完全处于典型EMC测试的范围内,并且所使用的测试设备类似于DO-160和其他EMC标准中其他地方发现的许多其他“真正的”EMC测试。
执行第16节中的测试是为了确定在正常和紧急飞机运行期间发生的交流和/或直流电源变化的所有不同条件下,EUT能够按要求运行。此外,第16节还包含了验证EUT不会对飞机动力系统产生有害或导致其他已安装设备性能下降的负面影响的测试。
关于第16节的一个有趣的注意是,它是DO-160中唯一包含EUT灵敏度(如浪涌、掉电、频率瞬变等)的要求和测试的部分,而且EUT产生有害干扰(辐射)(如电流谐波、再生能量、功率因数等)。这一事实,随着现代飞机动力系统的日益复杂和多样化,以及第16节(DO-160G中的69页)的庞大规模,引发了一些关于SC-135将功率输入/质量要求拆分为一个完全不同的文件的可能性的讨论——尽管目前没有考虑立即进行更改。
为了跟上飞机动力系统设计“最先进”的步伐,第16节在过去十年中发生了巨大的变化,但(值得庆幸的是)对DO-160G所做的更改不像以前的修订那么广泛,除了几个例外,更多地落在澄清和改进的标题下,以方便使用。
DO-160D的变更2,2001年6月12日发布,对第16节进行了相当大的修改,包括新的测试,并对现有的测试进行了修改,以解决交流谐波电流内容和变频交流电力系统[2]的问题。
在DO-160E中,对整个小节进行了重新排序,使所有交流测试位于一个小节中,而所有直流测试位于另一个小节中,从而使第16小节更易于使用和理解。DO-160E还引入了一些新的测试,例如交流供电设备的直流内容测试,以及涵盖“负载设备对飞机电力系统的影响”的新小节。
在DO-160F中,为交流和直流供电设备增加了更多的测试,并增加了一系列新的测试和测试级别,以覆盖270伏直流电源系统,并大大扩展了测试列表,以覆盖EUT对飞机电力系统的影响。
DO-160G没有包含任何新的测试,但是对某些测试的适用性做了一些澄清。
直流输入测试
对于直流输入,有以下测试:
- 稳态过电压和欠电压条件
- 纹波电压
- 瞬时电源中断
- 短暂的起伏
- 暴露电压衰减时间(仅270伏)
- 侵入电流
交流输入测试
交流输入要经过以下测试:
- 稳态过电压和欠电压条件
- 稳态过频和低频条件
- 稳态相不平衡(三相功率)
- 调压调频
- 电压和频率瞬态
- 瞬时电源中断
- 短暂的起伏
- 直流偏置和电压失真
- 谐波电流发射
- 相不平衡(3相输入)
- 直流电流含量
- 侵入电流
- 电流调制
- 功率因数
设备类别
有四个设备类别(A、B、D或Z),表示设备使用的电源类型以及设备兼容的交流和/或直流电源类型。对于交流供电设备,类别指示符后面的括号中有一个附加指示符,是一个两个字符的代码,表示设备已经过恒频(CF)、窄变频(NF)或宽变频(WF)使用测试。
多达四个额外的类别指示符还用于指示测试:
- 交流电流谐波(H)
- 交流电流调制(L)
- 交流功率因数(P)
- 直流电流纹波(R)
- 交直流涌流(I)
DO-160G有什么新功能
- 关于多电源设备测试过程的说明。
- 测试所有交流供电设备(无论它们是否包含“数字电路”)对表16-1(以及16-2,如果设备使用“窄”或“宽”变频交流电源)所给出的瞬时电源中断的要求。
- 现在为三相交流供电的eut的每个单独阶段指定异常浪涌测试。
- 增加或修改了一些测试电压等级的公差,以使测试更容易进行,并更准确地模拟飞机上看到的预期条件。
- 对表16-1、16-2和16-3的短暂中断的修订,使测试要求更容易理解。
第17节:电压尖峰
该测试确定在交流和/或直流电源输入施加电压峰值期间和/或之后,EUT是否能按要求运行。任何产生尖峰的方法都可以使用,只要产生的脉冲持续时间至少为10微秒,上升时间小于2微秒,源阻抗为50欧姆。1分钟内至少施加50个电压峰值。该测试与MIL-STD-461F测试方法CS106[3]非常相似。
设备类别
有两个设备类别。B类测试电平是交流(有效值)和/或直流线路电压(或200伏,以较低者为准)的两倍。A类测试电压为600伏。
DO-160G有什么新功能
- 需要澄清的是,至少有50个正极性尖峰和50个负极性尖峰。
第18节:音频传导磁化率-功率输入
执行此测试是为了确定当音频干扰应用于交流和/或直流电源输入时,EUT将按规定工作。测试设置和程序与MIL-STD 461F测试方法CS101几乎相同,唯一的区别是实际测试级别和频率范围。音频干扰是变压器耦合到每个电源输入引线上,干扰信号的峰值电压水平是通过电源输入和返回引线测量的。测试电平最高可达标称交流输入电压的8%,频率范围宽至10hz至150khz。
EUT必须在最小和最大电流输出(如果适用)下运行,如果指定用于变频系统,则必须在交流电源频率极端值下运行。频率扫描速率为每十年30步,每个频率有1分钟的停留时间。
设备类别
直流电源分为R、B、Z三类,分别表示设备使用的电源类型和设备兼容的直流电源类型。
指定了两个交流电源设备类别(R和K)。类别R与附加的名称(两个字符的代码)一起使用,放在类别指示器后面的括号中,表示设备已经过恒频(CF)、窄频(NF)或宽频(WF)使用测试。类别K表示该EUT已测试用于任何类型的交流电源输入,并且测试的电压失真水平高于类别R。
DO-160G有什么新功能
- 用户指南被添加到部分的末尾,导致许多注释和备注从需求部分移动到新的用户指南。
- 限制应用功率(测试信号)到100瓦的余量已被取消,取而代之的是36安培的峰对峰测试电流限制。测试设置图已被修改,以显示“可选交流电流监视器”在适当的位置。
- 已删除耦合变压器的0.6欧姆输出阻抗规范。
第19节:诱导信号磁化率
本节的测试是为了确定EUT在设备和互连电缆受到音频电场、磁场和瞬态电压峰值时,能否按要求运行。
互连电缆测试的测试级别由暴露在辐射电线上的电线长度决定。对于感应开关瞬态(感应尖峰)测试,暴露长度为1.2米或3.0米,尖峰的振幅施加到辐射线至少为600伏特峰对峰。
对于感应到电缆的磁场和电场,测试电平定义为暴露在辐射电线上的互连电缆长度与施加在电线上的均方根电压或电流的乘积。该测试电平以“伏特x米”(V-m)或“安培x米”(A-m)表示。例如,Z类要求电场测试水平为1800 V-m,这通常是通过将3米电缆暴露在施加600伏有效值的辐射电线上获得的。如果少于3米的电缆暴露在辐射电线上(例如,由于空间限制),必须增加施加在电线上的电压,以达到1800v -m的测试水平。这种要求的例外情况是,在最终安装时,电缆的实际长度已知小于3米。在这种情况下,测试级别可以按减少的耦合长度的比例成比例减少。
扫频测试的频率范围由指定的设备类别确定。频率扫描速率为每十年30步,每个频率有10秒的停留时间。
设备类别
设备类别由两个字符组成。第一个字符(A、B、C或Z)表示执行的测试和测试的严重级别。第二个字符(C、N、W)表示EUT兼容的交流电源系统工作频率(固定、窄变、宽变)。
DO-160G有什么新功能
- 说明这些测试不适用于电源输入电缆/引线。
- 增加了“设备感应电场”测试。该测试与现有的“设备磁场感应”测试非常相似,所有设备类别都使用170 Vrms (400 Hz)的单一测试水平。还添加了相应的测试设置图。
- 在设备感应磁场和电场测试中,扫过设备表面的辐射线的要求。
- 对感应开关瞬态(感应尖峰)图进行了澄清,以允许在测试过程中产生不同振幅的尖峰,并且一些尖峰将小于指示的600 Vpp振幅。
第20节:射频灵敏度
(辐射及传导)
执行这些测试是为了确定当EUT及其互连电缆暴露于射频干扰时,设备将按规定运行。需要连续波(CW)、方波调幅(SW)和脉冲调制(PM)射频信号。线路阻抗稳定网络(LISN)必须与每个电源引线和不接地的电源返回引线串联插入,在LISN的电源输入和接地平面之间连接一个10uf电容器。除非另有规定,在这些试验中,相互连接的电缆长度应至少为3.3米,电源引线长度不超过1米。
进行了磁化率
RF进行的敏感性试验程序类似于MIL-STD-461F试验方法CS114。在进行测试之前,使用注入探针(在50欧姆夹具中)校准到所需的测试水平,将射频干扰耦合到EUT互连电缆和电源引线。为达到夹具中指定的射频电流,应用于注入探针的射频功率的量被记录为每个测试频率。该校准表显示给定频率下所需的射频功率,然后在实际测试中使用。
在测试过程中,通过校准的射频电流探头监测感应到被测电缆或引线的射频电流,并增加施加在注入探头上的射频功率,直到达到适当的电流水平(由所使用的适用设备类别定义)。应用于注入探针的射频量限制为不超过50校准夹具校准期间记录的功率水平6db。测试频率范围为10 kHz至400 MHz,每次测试通常需要2次扫描——一次使用CW信号,然后再次使用SW调制信号。
辐射敏感性
RF辐射敏感性测试程序类似于MIL-STD-461F测试方法RS103。EUT及其互连电缆和电源引线暴露在频率范围为100mhz ~ 18ghz的射频辐射场中。
在第20节中规定了两种射频辐射敏感性测试方法。
第一种使用标准的半消声室,如MIL-STD-461F测试方法RS103。腔室必须内衬射频吸收器,并规定了吸收器的最低性能。最小天线距离一般为1m,当天线波束宽度不能完全覆盖系统时,需要设置多个天线位置。如果EUT外壳中有孔、连接器、接缝或其他穿透点,所有这些都必须直接暴露在测试天线上,在测试期间需要多个EUT位置。
在放置EUT之前,需要校准射频场。为达到指定的测试水平,应用于天线输入的射频功率被记录为使用的每个天线。在EUT测试期间,每个测试频率的校准功率电平应用于天线。
第二种方法使用混响室,在首次使用或修改混响室之前,需要进行场均匀性验证和最大腔室负荷验证。场均匀性测量是用3轴e场探头在腔室内多达9个不同位置进行的。此外,被动线性监测天线被移动到腔室内的不同位置,以校准监测天线,以便在每次测试之前使用。在EUT测试期间,这种校准允许监视器天线用于测量室Q、时间常数和测试电平的确定。
每个测试频率达到所需测试水平所需的射频功率水平是通过向腔室注入已知的射频功率水平(通常为1瓦)来确定的,然后在将EUT安装到腔室后,用监测天线测量混音腔内的场电平。
设备类别
第20节的设备类别名称由两个字母组成。进行的药敏试验级别用第一类字符指定,辐射药敏试验级别用第二类字符指定。传导磁化率有7种设备类别,辐射磁化率有10种设备类别。这些类别表明所执行测试的严重级别和/或使用的调制类型。S类在1v /m时最不严重,L类最严重,测试水平高达7200v /m。
DO-160G有什么新功能
- 新增用户指南。
- 为了使第20节符合新的FAA HIRF规则、FAA咨询通告20-158和SAE文件ARP5583A (HIRF用户指南)的要求,本节的措辞进行了修订或添加。
- 当使用无回声室法测量辐射敏感性时,EUT的所有面必须直接暴露在测试天线上,如果EUT的任何面没有直接暴露在测试天线上,则该决定的理由必须包括在测试报告中。
- 澄清测试天线与EUT之间的距离必须相同,以便校准和测试。
- 混响室试验方法已从“模式调整”过程修改为“模式搅拌”过程。这一变化导致了第20.6节的重大重写,以至于本文无法对其进行足够详细的讨论,但可以提供一些重点:
- 仍然需要使用3轴电子场探头来确定场均匀性。
- 测试电平是通过测量监视器天线(安装了EUT)接收的功率来确定的,然后根据监视器天线上的最大接收电平计算一个调谐器旋转的磁场。
- 调谐器速度在1ghz以下为4rpm,在1ghz以上为2rpm,或更慢(通常需要更慢的速度)。
第21节:射频发射
执行本节中的测试是为了确定EUT不会发出超过指定限制的射频干扰。测量了出现在互连电缆和电源引线上的传导射频发射。还测量了来自EUT、互连电缆和电源引线的辐射射频发射。
必须使用使用峰值检测器的仪器进行测量,并根据第21节表1中所规定的中频带宽、频率步长和停留时间对所扫描的频率范围进行测量。
LISN必须与每个电源引线和不接地的电源返回引线串联,在LISN的电源输入和接地平面之间连接一个10uf电容器。除非另有规定,在这些试验中,相互连接的电缆长度应至少为3.3米,电源引线长度不超过1米。
环境排放水平必须低于适用限值至少6 dB,如果发现任何信号低于适用限值3 dB,则必须进行测量和记录。
进行排放
用夹式电流探头测量互连电缆和电源引线上的传导射频电流。探头位于距离EUT 5厘米处,测量频率范围为150 kHz至152 MHz。
辐射排放
辐射射频场是用线性极化天线在100 MHz到6 GHz的频率范围内测量的。与第20节中的射频辐射敏感性测试一样,第21节中允许使用两种射频辐射发射测试方法:暗室法和混响室法。
消声室方法需要一个装有射频吸收器的腔室,并规定了吸收器的最低性能。测量天线距离为1米,当天线波束宽度不能完全覆盖系统时,需要多个天线位置。如果EUT外壳中有孔、连接器、接缝或其他穿透点,所有这些都必须直接暴露在测试天线上,在测试期间需要多个EUT位置。
第二种方法使用混响室,这需要根据第20节进行场均匀性验证。EUT加载是在EUT安装在腔室后测量的,该数据被用作辐射发射测量的修正因子。在调谐器的一次旋转中,对于每个测量的频率范围,分析仪或测量接收机至少需要200次扫描。
设备类别
“设备类别”分为“B”、“L”、“M”、“H”、“P”、“Q”6个类别,分别表示设备的位置和设备与飞机天线的距离。一般来说,设备离飞机天线越近,越接近飞机天线的“直接视野”,排放限制就越严格。
DO-160G有什么新功能
- 用户指南。
- 增加了一个新的限制类别-类别Q -为VHF和GPS接收机提供额外的保护,但没有类别P中使用的传导发射“HF缺口”(见图1和图2)。
- 将带宽的频率从100 kHz更改为1 MHz。以前的版本在1 GHz的频率下进行这一步。DO-160G的步骤在960兆赫。
- 取消了使用10 kHz带宽来测量960 MHz以上的缺口的选项,取而代之的是,一个高增益前置放大器可能(将)是必需的。
第22节:闪电引起的瞬态磁化率
这些测试确定EUT是否可以在连接器引脚、互连电缆和电源引线使用引脚注入和/或电缆束测试期间和/或之后按规定运行。针注入法通常用于显示损伤容限,而电缆束测试通常用于显示镦粗容限。
2002年12月5日发布的DO-160D变更3是对第22节的主要修订,主要是增加了多脉冲和多行程电缆束测试方法的程序、波形和测试级别。还添加了新的波形集指示器(G到K),以涵盖多重爆发和多重冲程测试。
针注射
在引脚注入测试期间,EUT是正常供电的,因此被测试的电路是有偏置的,因为它们将在正常操作中。测试电平定义为开路电压(Voc),具有来自发电机的指定源阻抗。例如,波形3,测试级别2指定Voc为250伏,短路电流(Isc)为10安培。Voc与Isc的比值产生了25欧姆的发电机源阻抗要求。调节发生器以产生具有这些指定特征的波形3,然后将瞬态波形直接应用到接口引脚上。在对引脚进行测试后,将对EUT进行评估,以确定其性能是否下降。
电缆束测试
电缆束测试使用电缆感应或接地注入,将瞬态波形耦合到互连的电缆束和电源引线中。
电缆感应测试法采用注入探头将瞬态波形感应到相互连接的电缆和电源引线中。地注入法与电缆感应法非常相似,除了瞬态波形应用于EUT外壳和接地平面之间。通过提升所有局部接地和回路,将EUT与地平面隔离,并将壳体与地平面隔离,这将迫使注入的瞬态电流进入电缆屏蔽和任何其他返回路径返回到地平面。
线路阻抗稳定网络(LISN)必须与每个电源引线和不接地的电源返回引线串联插入,在LISN的电源输入和交流供电设备的接地平面之间连接一个10 uF电容器,或在直流供电设备的LISN的电源输入端连接一个33,000 uF电容器。除非另有规定,在这些试验中,相互连接的电缆长度应至少为3.3米,电源引线长度不超过1米。
对于每个波形,给出电压或电流测试电平,以及电流或电压限制。例如,波形2,测试电平3,指定电压测试电平(VT)为300伏,电流限制(IL)为600安培。这意味着在测试过程中,发电机电平不断升高,直到通过注入探针放置的单圈监测回路测量到的峰值电压达到300伏,或监测电缆或引线中的感应电流达到600安培极限。
电缆束测试可以仅使用单冲程方法执行,也可以使用单冲程、多冲程和多突发方法的组合。
单冲程测试方法是为了表示飞机内部布线对最严重的外部飞机雷击的响应。指定测试波形的一次出现(行程)应用于被测电缆束或电线,并在每个极性中重复总共10次应用。
多击测试方法旨在表示外部飞机雷击对飞机内部布线的感应效应,该外部飞机雷击由第一次回击立即随后多次回击组成(见图5)。
多重爆炸测试方法旨在表示外部飞机雷击多重爆炸性质对飞机内部布线的感应效应(见图6)。将指定的测试波形应用于被测电缆束或电线,并在每个极性重复至少5分钟。
设备类别
类别名称由五个字符组成,描述引脚和电缆测试波形集和测试电平。
6个电缆束测试波形分为4个单冲程波形组(C到F), 4个单冲程和多冲程组合波形组(G到K),以及2个多突发波形组(l和M)。
DO-160G有什么新功能
- 添加了用户指南,导致许多注释和备注从需求部分移动到用户指南。第22节用户指南中包含了大量额外的(有用的)信息。
- 取消了用于确定Pin-Injection测试波形源阻抗的“电阻法”。
- 增加了电缆束测试波形6,仅用于多次爆发测试。参见图3。
- 针注射校准和测试设置图进行了修改。
第23节:闪电直接效应
执行本节中的测试是为了确定外部安装的电气和电子设备承受严重雷击直接影响的能力。在测试期间,设备通常不会通电,这些测试通常会对EUT造成损坏(有时是严重损坏)。需要进行数千千伏和/或数百千安的高电压和/或大电流测试。
设备类别
类别名称由四个字符组成,描述所应用的测试波形的性质和严重程度。前两个字符指定高电压冲击附件测试类别,最后两个字符指定高电流物理损伤测试类别。EUT的指定测试类别应对应于将在飞机上安装EUT的雷击区。
DO-160G有什么新功能
- 没有变化。
第25节:静电放电
该测试确定了在静电空气放电事件期间和之后,EUT是否能按规定运行。所使用的测试程序和测试发生器与大多数其他国际ESD标准类似,除了EUT与地平面连接并且只指定了空气放电。根据人员可及性选择试验点,每个试验点有10个15kv的正极和10个负极放电。
设备类别
只有一个类别(A),测试等级为15kv。
DO-160G有什么新功能
- 澄清测试点的适用性,特别是说明连接器引脚不进行测试。
SC-135的最新消息:
在最近一次RTCA项目管理委员会(指导SC-135活动)的会议上,批准了DO-160的修订版G,并决定在发布另一个DO-160修订版之前允许至少5年的时间。计划管理委员会修订了SC-135的“职权范围”,以创建一个“独立”文件(可能以附录的形式),该文件将包含DO-160所有部分的所有用户指南材料。虽然新版用户指南的发布日期没有给出,但它将在委员会恢复下一版DO-160 (DO-160H)的工作之前完成。
总结
RTCA/DO-160和它的欧洲孪生兄弟EUROCAE/ED-14是真正的航空电子设备电磁兼容性要求的世界标准。
测试级别、要求和程序旨在反映航空技术和EMC测试方法的“最先进水平”。
由于航空技术和EMC测试方法都在快速发展,目前正在继续制定全面的用户指南,涵盖RTCA/DO-160G的所有部分,并最终推出DO-160H的下一个修订版。
参考文献
[1] RTCA/DO-160F,“机载设备的环境条件和测试程序”,RTCA, Incorporated, 2007年12月6日。
RTCA/DO-160D,“机载设备的环境条件和测试程序”,RTCA, Incorporated, 1997年7月29日。
[3] MIL-STD-461F,“子系统和设备电磁干扰特性控制要求”,国防部接口标准,2007年12月10日。
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