飞机点火系统电磁干扰的分析及抑制

 闫东东，张  涛，赵  军，吴恩会，乔  屹

 （天津航空机电有限公司，天津  300308）

摘要：探讨了飞机点火系统产生电磁干扰的机理，针对不同类型的电磁干扰源产生的影响程度，提出了在工程设计中可以有效改善电磁干扰的方法。

关键词：飞机点火系统；电磁干扰；抑制措施  中图分类号：V430  

0  引言

 飞机点火系统的电磁干扰主要以高强度、宽频带的传导和辐射耦合方式产生，由于点火装置中的功率开关电路在开关过程中电压变化率和电流变化率非常快，快速的电流变化和电压变化产生的浪涌电流和尖峰电压是产生电磁干扰的主要干扰源。而飞机点火系统中储能电路的充电放电，以及功率开关器件和次级线圈输出整流硅堆的电压、电流在高频工作时的快速开关切换，都会产生电磁干扰。因此为了减小或规避电磁干扰产生的影响，提高飞机点火系统的电磁兼容性能，根据飞机点火系统电磁干扰的产生机理来采取对应的抑制措施，在工程设计中尤为重要。

1  飞机点火系统电磁干扰机理分析

 飞机点火系统由点火装置、点火电缆和点火电嘴组成。当点火装置接通机上电源时，通过滤波电路和频率控制电路，输出点火系统的火花频率控制信号；经过脉宽调制电路，输出功率开关变换电路的驱动信号；功率开关变换电路接收到驱动信号后，将低压直流电变换为高压脉冲电，经过高压整流电路整流后对储能电容器充电；放电电路接收到由频率控制电路和可控硅控制电路输出的点火系统的火花频率控制信号后，对储能电容器进行放电，输出高压脉冲电给点火电缆，点火电缆将高压脉冲电传输至点火电嘴发火端面，击穿发火间隙产生电火花以点燃飞机发动机燃烧室内的空气燃油混合气。图1为飞机点火系统的原理框图。

 由于飞机点火系统高频高能脉冲工作的特点，电磁干扰的传导和辐射贯穿在整个点火系统的输入回路和输出回路中。其主要原因是点火装置在完成初级线圈和次级线圈能量转移时功率开关电路产生了高频干扰信号；当次级电路的充电电压达到要求值时，储存在储能电容中的高压脉冲电通过放电电路迅速释放，经点火电缆传输至点火电嘴的发火端面而产生雪崩式电容放电，放电特点为时间短、电流大；受这种雪崩式电容放电和高频变压器初次级间分布电容的综合复杂影响，使得电磁干扰信号在点火系统内部电路中耦合传导并向空间辐射。

2  点火装置功率开关电路中的干扰源

 飞机点火系统中的点火装置大多采用由MOS开关电路和高频变压器组成的他激式直流变换开关电路原理，通过控制开关管的占空比来调节输出电压的高低，点火装置之所以产生电磁干扰是由于其中的开关变换电路的工作频率高（几十至上百kHz）、电压电流变化率大，且这种频带宽、谐波杂的电磁干扰信号通过电源线以共模和差模的方式向外传输干扰，同时又向周围空间辐射干扰。

2.1  功率开关管工作时产生的谐波干扰

 在功率开关管导通瞬间，高频变压器初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关管关断瞬间，由于电流突变，高频变压器的初级线圈会有漏感产生，漏感中的能量在开关管快速开关切换瞬间产生的衰减振荡叠加在功率开关管的关断电压上，形成关断尖峰电压，这种干扰信号会耦合输入输出回路产生传导干扰。

2.2  次级高压整流硅堆的反向恢复时间引起的干扰

 在点火装置次级线圈高频整流回路中的整流硅堆（二极管）正向导通瞬间，流过管子的正向电流较大；而在反向截止瞬间，电流会由于PN结中的载流子积累较多而产生反向流动，由于反向恢复时间太短(tn≤1μs)，致使整流硅堆在反向截止瞬间产生很大的电流变化率，引起反向恢复电流的高频衰减振荡，因此，这种振荡信号也是点火系统电磁干扰的一个重要干扰源。

2.3PCB布线及寄生参数引起的干扰

 点火装置通常采用手动方式进行印制电路板(PCB)的线路布置和元器件的布局，布线和元器件布局的不合理也会引起点火系统电磁干扰的产生，尤其高频变压器初、次级之间在完成能量转移和储存时会产生很多的高频谐波分量。PCB布线的长和宽决定其阻抗和感抗，进而影响PCB线路的频率响应。另外，功率开关变换电路中分布参数的存在、点火系统高频变压器初次级线圈间分布电容和漏感的影响也是电磁干扰产生的原因之一，以高频变压器为例，电磁干扰信号会耦合高频变压器初、次级线圈间的分布电容传输至输入回路而发生传导干扰。

3  飞机点火系统电磁干扰的抑制措施

 通过分析飞机点火系统电磁干扰产生的几种原因，应通过采取抑制（消除）干扰源、切断设备之间的传导辐射路径、提高受扰设备的抗扰能力等方法来进行抑制。目前，在飞机点火系统，尤其点火装置的功率开关电路的设计中，基本上都是采用切断干扰源和干扰设备之间的耦合路径，即屏蔽技术、滤波技术和接地技术等方法来抑制干扰源。

3.1  高频变压器的屏蔽设计

 为了减小（切断）高频变压器初、次级间线圈由于分布电容耦合产生的电磁干扰信号，在高频变压器的初、次级线圈间接入屏蔽层，并将屏蔽层接地。加入屏蔽层后，由于次级回路中干扰信号向初级回路耦合的分布电容路径被屏蔽层屏蔽切断，通过对地电容释放，故次级回路中的电磁干扰分量不再通过分布电容向初级回路产生传导干扰。图2为不同变压器设计的点火装置电磁干扰信号传导路径。

3.2EMI滤波器设计

 在飞机点火系统中加入电源滤波器主要是为了抑制（消除）电源线的电磁干扰，电源线干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰主要指电源线与地线之间的电位差，通常用共模滤波来抑制或消除；差模干扰主要指同一条电路上的电位差，采用差模滤波可抑制差模干扰。

 图3为一种采用三端电容的EMI电源滤波器，其中C1、C2用于滤除差模干扰信号，C3、C4用于滤除共模干扰信号，电感线圈L为共模扼流圈，它为同向绕制在磁环上的一对线圈，对于共模干扰电流，两个线圈（串联在电源正线和电源负线的两个线圈）产生的磁场是同方向的，共模扼流圈表现出较大的阻抗，从而起到衰减信号的作用。而对于差模信号，两个线圈产生的磁场抵消，这样就不会对电源传导功能产生影响。

 在高频电路中，普通两端电容器的引线具有电感分量，所以影响了其高频特性。而三端电容器在结构上可以做到与电容器串联的剩余电感分量很小，因此其插入损耗特性优于两端电容器，从而改善了电容器的高频特性，图3中的C3、C4为三端电容器（L c为三端电容器信号线上的等效串联电感），用于抑制或消除电路中的高频干扰信号。

3.3PCB设计优化技术

 为减小飞机点火系统的内部干扰，提高点火装置中功率开关电路的稳定性和可靠性，在点火装置电路PCB设计中应注意以下几点：①数字控制电路与模拟电路PCB布线应正确区分，不能交叉布置；②数字控制电路与模拟电路的电源应通过去耦电容正确去耦；③数字控制电路、模拟电路和采样电路应单点接地，以减小共阻干扰和地环影响；④布线时应注意相邻线之间的间距及信号性质，避免产生串扰；⑤减小地线阻抗；⑥减小高频变压器的漏电感、滤波电感的分布电容；⑦减小功率开关变换电路、EMI电源滤波电容电路所包围的面积；⑧减小次级整流电路与直流滤波电路所包围的面积；⑨采用谐振频率高的滤波电容器等，

  4  总结

 随着电子技术的迅速发展，飞机点火系统中功率开关器件的工作频率越来越高，控制高频电磁干扰信号的传导和辐射、提高飞机点火系统电磁兼容稳定性成为飞机点火系统设计中最为关键的技术。本文浅析了飞机点火系统电磁干扰产生的机理和抑制措施，在工程设计中可以起到一定的指导作用。