CN110310875A - 一种微光像增强器电磁兼容设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微光像增强器电磁兼容设计方法，通过对组成微光像增强器的高压电源、像增强管、整体外壳分别进行电磁兼容设计，解决了现有微光像增强器体积重量限制与电磁兼容之间的矛盾，提高了微光像增强器在强电磁干扰环境下的抗干扰能力，提高了其工作稳定性。

Description

一种微光像增强器电磁兼容设计方法

技术领域

本发明涉及像增强器技术领域，尤其涉及一种微光像增强器电磁兼容设计方法。

背景技术

微光像增强器是微光夜视仪的核心器件，传统战场中影响其工作稳定性的主要因素是入射光强度，要求其能够适应10^-4lx~10⁴lx甚至更宽的光照范围，且在炮火等强闪光环境下能清晰成像。随着自动门控高压电源技术的发展，像增强器的动态范围和使用寿命得到极大提升，解决了强光下成像问题。

现代高技术战争各种侦察、探测、通信设备的使用导致战场电磁环境非常复杂，甚至还存在各种电子对抗战，这些不可见的电磁干扰或特定强电磁脉冲信号会导致像增强器出现闪烁、熄灭、高亮等异常现象，严重影响观察使用，因此电磁干扰（EMI）逐渐成为影响微光像增强器工作稳定性的又一重要因素。

一方面，由于微光像增强器主要应用于夜视头盔、枪瞄、手持夜视仪等便携设备中，相对而言属于辅助设备，以往对电磁兼容（EMC）未作严格要求；另一方面，便携应用对体积、重量的严格限制，使得原有电磁兼容设计比较简单。试验室测试现有像增强器几乎不能完全通过GJB 151B-2013规定的RE102和RS103等试验，因此目前对新研制的像增强器实现电磁兼容（EMC）的要求愈发明确，电磁兼容（EMC）也将成为考核产品性能的一项基础指标。

由于像增强器有严格的体积和重量限制，且其内部含有高压组件，现有的像增强器设计导致屏蔽、滤波和接地等通用电磁兼容技术在像增强器上较难开展应用，具体不足表现为以下几点。

像增强器采用壁厚薄、质量轻、绝缘耐高压的塑料外壳，无电磁屏蔽作用，外壳无法接输入地或大地，容易对外辐射干扰导致RE102试验超标；也容易受到外界辐射的影响，导致RS103试验时出现工作异常。

像增强器的高压电源包含多个DC-DC开关电源，不可避免地会产生频率丰富的电磁干扰，由于外壳尺寸较小，无法采用体积较大的电容、电感等滤波元件，导致输入线存在开关频率基波干扰和高次谐波传导干扰和辐射，造成CE102、RE102试验超标。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微光像增强器电磁兼容设计方法，提高微光像增强器在强电磁干扰环境下的抗干扰能力，提高其使用可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种微光像增强器电磁兼容设计方法，包括如下步骤：

A、高压电源电磁兼容设计

A1、变压器电磁兼容设计

A11、选用罐型磁芯，线圈绕制采用次级绕组-初级绕组-次级绕组的“三明治”绕法；

A12、在变压器引出线端套入热缩管，再套入环型磁珠；

A2、输入端电磁干扰滤波设计

在输入端设置由π型LC滤波器和共模电感组成的电磁干扰滤波器；

A3、二极管倍压组合电路电磁兼容设计

将组成二极管倍压组合电路的高压二极管和高压电容采用混合集成电路微组装方法键合和封装；

A4、高压电源PCB电磁屏蔽设计

A41、采用多层刚柔结合板作为高压电源PCB，刚板部分用于表贴面积大的元器件，柔板部分便于高压电源PCB折叠入壳；

A42、高压电源PCB按照地线-反馈走线-地线的夹层结构对反馈线路进行屏蔽；

A43、高压电源PCB的电路回路按照最小环路面积进行布局；

A44、高压电源PCB设置有两个环型铺铜软板作为屏蔽盖板，高压电源PCB末端还延伸两条长条形铺铜软板，用于从内测、外侧包裹电路板；

B、像增强管电磁兼容设计

B1、像增强管和高压电源套和在一起，缩短互连引线长度；

B2、阴极电压引线、MCP电压引线、阳极电压引线和接地引线使用高压绝缘安装线并套装热缩管增强绝缘，位置紧贴靠近固定设置；

B3、像增强管的陶瓷环选择介电常数小的绝缘材质；

C、外壳电磁屏蔽设计

C1、高压电源外壳电磁屏蔽设计

C11、采用磷青铜材料一体冲压得到厚度为0.2mm的高压电源外壳；

C12、采用环型FR4覆铜板作为高压电源盖板，所述高压电源盖板正反两面均整面铺铜，反面朝向高压电源外壳的管壳内腔，在所述高压电源盖板反面阻焊开窗制作一个方形焊盘，使用导线连接至位于高压电源外壳内部的高压电源PCB上的输入地，实现高压电源外壳接地；所述高压电源盖板正面朝外，在盖板正面内、外圆边界处分别阻焊开窗制作一个环形焊盘，通过锡焊与高压电源壳体的内外壁焊接完成封装；所述高压电源盖板上还留有引线孔；

C13、采用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片在壳体内腔顶部、环侧和底部，将电路板和电源金属外壳隔离，PCB入壳时固定隔离片位置，采用硅橡胶灌封定型；

C2、微光像增强器整体外壳电磁屏蔽设计

C21、采用磷青铜材料一体冲压得到厚度为0.2mm的水桶状微光像增强器整体外壳，在所述微光像增强器整体外壳内侧靠近高压电源的位置焊接引线至高压电源盖板上的输入地完成接地；

C22、像增强管放置于微光像增强器内部，在像增强管所在区域使用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片作绝缘垫片置于像增强管和微光像增强器整体外壳之间，像增强管和高压电源放置到微光像增强器整体外壳内部后整体进行硅橡胶灌封；

C23、微光像增强器整体外壳的盖板边界设置有凸台结构，所述微光像增强器整体外壳和盖板组合后边缝采用锡焊封接固定。

本发明与现有技术相比具备以下优点：

1、通过选用罐型磁芯，屏蔽噪声；线圈绕制采用次级绕组-初级绕组-次级绕组的“三明治”绕法绕制，降低漏感；在变压器引出线端套入热缩管，再套入环型磁珠吸收高频噪声；

2、在输入端设置由π型LC滤波器和共模电感组成的电磁干扰滤波器，对电源变换所产生的高频纹波电流进行滤波，抑制传导和辐射噪声；

3、将组成二极管倍压组合电路的高压二极管和高压电容采用混合集成电路微组装方法封装，集成化、模块化的设计有效减少寄生参数、降低电磁辐射噪声和高压放电风险；

4、采用多层刚柔结合板作为高压电源PCB，进行线路屏蔽设计，同时设计铺铜柔板包裹电路形成类似外壳的屏蔽空间，降低高压电源的电磁辐射；

5、像增强管和高压电源套合在一起，尽量缩短互连引线长度，抑制天线效应；阴极电压引线、MCP电压引线、阳极电压引线和接地引线位置紧贴靠近固定设置，减少电流环路面积，降低高频发射或接收；像增强管的陶瓷环选择介电常数小的绝缘材质，减少寄生电容，降低漏电；阴极电压引线、MCP电压引线、阳极电压引线使用高压绝缘安装线并套装热缩管增强绝缘，避免漏电，整体像增强管做屏蔽并接地，提高像增强管电磁屏蔽性能；

6、采用一体化冲压技术制作重量轻的高压电源外壳和微光像增强器整体外壳，采用聚酰亚胺薄膜进行内部绝缘，实现微光像增强器的整体电磁兼容功能。

附图说明

图1为微光像增强器的组成结构示意图；

图2为高压电源电磁兼容设计原理示意图；

图3为高压电源PCB电磁屏蔽设计原理示意图；

图4为像增强管组成结构示意图；

图5为高压电源外壳和微光像增强器整体外壳结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种微光像增强器电磁兼容设计方法，包括如下步骤：

A、高压电源电磁兼容设计

A1、变压器电磁兼容设计

A11、选用罐型磁芯，线圈绕制采用次级绕组-初级绕组-次级绕组的“三明治”绕法；

A12、在变压器引出线端套入热缩管，再套入环型磁珠；

A2、输入端电磁干扰滤波设计

在输入端设置由π型LC滤波器和共模电感组成的电磁干扰滤波器；

A3、二极管倍压组合电路电磁兼容设计

将组成二极管倍压组合电路的高压二极管和高压电容采用混合集成电路微组装方法键合和封装；

A4、高压电源PCB电磁屏蔽设计

A41、采用多层刚柔结合板作为高压电源PCB，刚板部分用于表贴面积大的元器件，柔板部分便于高压电源PCB折叠入壳；

A42、高压电源PCB按照地线-反馈走线-地线的夹层结构对反馈线路进行屏蔽；

A43、高压电源PCB的电路回路按照最小环路面积进行布局；

A44、高压电源PCB设置有两个环型铺铜软板作为屏蔽盖板，高压电源PCB末端还延伸两条长条形铺铜软板，用于从内测、外侧包裹电路板；

B、像增强管电磁兼容设计

B1、像增强管和高压电源套和在一起，缩短互连引线长度；

B2、阴极电压引线、MCP电压引线、阳极电压引线和接地引线使用高压绝缘安装线并套装热缩管增强绝缘，位置紧贴靠近固定设置；

B3、像增强管的陶瓷环选择介电常数小的绝缘材质；

C、外壳电磁屏蔽设计

C1、高压电源外壳电磁屏蔽设计

C11、采用磷青铜材料一体冲压得到厚度为0.2mm的高压电源外壳；

C12、采用环型FR4覆铜板作为高压电源盖板，所述高压电源盖板正反两面均整面铺铜，反面朝向高压电源外壳的管壳内腔，在所述高压电源盖板反面阻焊开窗制作一个方形焊盘，使用导线连接至位于高压电源外壳内部的高压电源PCB上的输入地，实现高压电源外壳接地；所述高压电源盖板正面朝外，在盖板正面内、外圆边界处分别阻焊开窗制作一个环形焊盘，通过锡焊与高压电源壳体的内外壁焊接完成封装；所述高压电源盖板上还留有引线孔；

C13、采用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片在壳体内腔顶部、环侧和底部，将电路板和电源金属外壳隔离，PCB入壳时固定隔离片位置，采用硅橡胶灌封定型;

C2、微光像增强器整体外壳电磁屏蔽设计

C21、采用磷青铜材料一体冲压得到厚度为0.2mm的水桶状微光像增强器整体外壳，在所述微光像增强器整体外壳内侧靠近高压电源的位置焊接引线至高压电源盖板上的输入地完成接地；

C22、像增强管放置于微光像增强器内部，在像增强管所在区域使用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片作绝缘垫片置于像增强管和微光像增强器整体外壳之间，像增强管和高压电源放置到微光像增强器整体外壳内部后整体进行硅橡胶灌封；

C23、微光像增强器整体外壳的盖板边界设置有凸台结构，所述微光像增强器整体外壳和盖板组合后边缝采用锡焊封接固定。

实施例

如附图1所示，微光像增强器由高压电源、像增强管、互连引线和整体外壳构成。高压电源为环型结构，有单独的外壳，引出线包括阴极电压引线、MCP（微通道板）电压引线、输出地引线、阳极电压引线、输入正引线和输入地引线；像增强管为真空器件，通过高压绝缘引线和电源互连；高压电源和像增强管套合后被灌封在整体外壳内。

如附图2所示，高压电源包括输入端、变压器绕组和输出端等三个功能单元，变压器绕组T1~T5的A端是开关节点，节点处dv/dt、di/dt较大，且由于寄生参数的影响会形成更高频率的振铃，是传导和辐射噪声源之一。分别在这些变压器引出线端套入热缩管，再套入环型磁珠，选择在电源线辐射干扰2MHz~30MHz频段内具有较大阻抗的磁珠，利用磁珠吸收高频噪声。

为避免变压器磁芯过度饱和，磁芯开有气隙形成漏感，这加剧了电磁辐射。设计选择罐型（P型）磁芯，上、下两瓣瓷罐将骨架线圈完全包裹在内形成磁屏蔽，最大程度屏蔽辐射。线圈绕制采用“三明治”绕法，即次级绕组-初级绕组-次级绕组的顺序绕制，加强各绕组之间的耦合，减少辐射。

在输入端设置由π型LC滤波器和共模电感组成的EMI滤波器，分别滤除差模干扰和共模干扰。差模电感选用叠层电感，具有体积小、电感值大和磁屏蔽等优点；共模电感选用无骨架、表贴的超小型线绕电感；电容选用大容量的陶瓷叠层电容。通过EMI滤波，可以衰减输入线中的高频脉动传导电流，进而降低辐射。

多联二极管倍压组合电路实现高压输出，所需二极管、倍压电容和互连线数量众多，由于二极管存在寄生电感和结电容，互连导线较长存在寄生电感，而输入信号为快速变化、幅值很大的高压脉冲信号，因此势必会形成频率丰富的高频振铃，高频噪声再通过众多二极管电容互连导线对外辐射。为降低噪声，研发倍压组合集成模块，利用混合集成电路微组装技术，将高压二极管芯片和高压电容进行键合后封装，电路引出只有4个焊接端口，最大程度减少寄生参数，降低电磁辐射，封装后的倍压模块还可以降低放电风险。

如图3所示，高压电源设计为环型结构，高压电源的PCB采用多层刚柔结合板，刚板部分便于表贴面积大的元器件装配，柔板部分便于PCB折叠入壳，最大程度利用紧凑的环型空间。

开关管、变压器和二极管倍压组合电路噪声较大，反馈控制电路远离这些电路放置，并按照地线-反馈走线-地线的夹层结构对反馈线路进行屏蔽。

输入电容、变压器初级绕组和开关管组成的高频功率回路，变压器次级绕组、倍压组合电路组成的高频功率回路，均按照最小环路面积布局，降低电磁发射。

高压电源PCB上设计两个环型铺铜软板，作为屏蔽盖板；PCB末端延伸两条长条形铺铜软板，入壳时这两条屏蔽条分别从上下，内侧，外侧全方位包裹电路板，最终形成一个类似外壳的环型立体空间，将电路板置于其中屏蔽。

如图4所示，像增强管由输入窗、光电阴极、MCP、荧光屏、导像器、陶瓷环、金属垫片等构成。像增强管内部为高真空状态，入射光线作用于光电阴极产生光电子，光电子在阴极电场的作用下经过MCP倍增和阳极电场加速轰击荧光屏发光，实现图像增强。像增强管的各个电极和高压电源的互连引线形成类似“天线”，电源产生的高频共模干扰可能通过这些互连引线向外辐射；也可能通过互连引线接收外界干扰而出现异常。另外，MCP自身存在电容，像增强管的金属垫片-陶瓷环近贴结构形成了几十至数百pF的寄生电容，在RS103高频交变电场作用下可能感生极化电流而影响电源输出。由于像增强器结构限定，上述天线结构无法避免，采取以下措施：

像增强管和高压电源套合在一起，尽量缩短互连引线长度，抑制天线效应；阴极电压引线尽量靠近MCP电压引线放置固定，MCP电压引线和阳极电压引线尽量靠近地线位置固定，减少电流环路面积，降低高频发射或接收；像增强管的陶瓷环选择介电常数小的绝缘材质，较少寄生电容，降低漏电；阴极电压、MCP电压和阳极电压引线使用高压绝缘安装线并套热缩管增强绝缘，避免漏电；整体外壳做屏蔽并接地，提高像增强管电磁屏蔽性能。

重量和绝缘限制了现有高压电源外壳和微光像增强器整体外壳只能采用轻质材料，例如聚苯醚、ABS塑料等，无屏蔽效果，电源容易向外辐射干扰，而像增强管则容易受到外界干扰。密闭的、具有一定厚度的导电腔体能够形成等势体，可以完全屏蔽辐射；非密闭导电腔体能够屏蔽的干扰的最高频率受到限制，但仍然有屏蔽效能，因此外壳应该设计为导电的并能够接输入地或大地，具体措施如附图5所示：

高压电源外壳和微光像增强器整体外壳分别开发一体式冲压模具，采用磷青铜材料冲压得到厚度仅为0.2mm的外壳，外壳重量得到有效控制并保障机械强度。

对于高压电源外壳，内层绝缘采用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片在壳体内腔顶部、环侧和底部，将高压电源电路板和电源金属外壳隔离，高压电源PCB入壳时固定隔离片位置，采用硅橡胶灌封定型，胶体还有利于保障高压电源整体机械强度和绝缘。为方便焊接，高压电源盖板采用环型FR4覆铜板，正反两面均整面铺铜，反面朝向管壳内腔，阻焊开窗设计一个方形焊盘，利用导线连接至PCB上的输入地，实现高压电源外壳的管壳接地；正面朝外，在内、外圆边界处阻焊开窗宽度约1mm的环形焊盘，通过焊锡与电源壳体的内外壁焊接完成封接，盖板上留出引线孔，近似形成完整的屏蔽腔体。

由于输入光窗、荧光屏开孔和入壳操作原因，整体外壳形似水桶状，只能部分屏蔽。在靠近高压电源的内侧焊接引线至电源盖板上的输入地完成接地，像增强管所在区域使用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片作绝缘垫片置于像增强管和微光像增强器整体外壳之间，像增强管和高压电源放置到微光像增强器整体外壳内部后整体进行硅橡胶灌封，提高机械强度和绝缘； 微光像增强器整体外壳的盖板边界设置有凸台结构，便于整体外壳紧密接触，所述微光像增强器整体外壳和盖板组合后边缝采用锡焊焊接固定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种微光像增强器电磁兼容设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、高压电源电磁兼容设计

A1、变压器电磁兼容设计

A11、选用罐型磁芯，线圈绕制采用次级绕组-初级绕组-次级绕组的“三明治”绕法；

A12、在变压器引出线端套入热缩管，再套入环型磁珠；

A2、输入端电磁干扰滤波设计

在输入端设置由π型LC滤波器和共模电感组成的电磁干扰滤波器；

A3、二极管倍压组合电路电磁兼容设计

将组成二极管倍压组合电路的高压二极管和高压电容采用混合集成电路微组装方法键合和封装；

A4、高压电源PCB电磁屏蔽设计

A41、采用多层刚柔结合板作为高压电源PCB，刚板部分用于表贴面积大的元器件，柔板部分便于高压电源PCB折叠入壳；

A42、高压电源PCB按照地线-反馈走线-地线的夹层结构对反馈线路进行屏蔽；

A43、高压电源PCB的电路回路按照最小环路面积进行布局；

A44、高压电源PCB设置有两个环型铺铜软板作为屏蔽盖板，高压电源PCB末端还延伸两条长条形铺铜软板，用于从内测、外侧包裹电路板；

B、像增强管电磁兼容设计

B1、像增强管和高压电源套和在一起，缩短互连引线长度；

B2、阴极电压引线、MCP电压引线、阳极电压引线和接地引线使用高压绝缘安装线并套装热缩管增强绝缘，位置紧贴靠近固定设置；

B3、像增强管的陶瓷环选择介电常数小的绝缘材质；

C、外壳电磁屏蔽设计

C1、高压电源外壳电磁屏蔽设计

C11、采用磷青铜材料一体冲压得到厚度为0.2mm的高压电源外壳；

C12、采用环型FR4覆铜板作为高压电源盖板，所述高压电源盖板正反两面均整面铺铜，反面朝向高压电源外壳的管壳内腔，在所述高压电源盖板反面阻焊开窗制作一个方形焊盘，使用导线连接至位于高压电源外壳内部的高压电源PCB上的输入地，实现高压电源外壳接地；所述高压电源盖板正面朝外，在盖板正面内、外圆边界处分别阻焊开窗制作一个环形焊盘，通过锡焊与高压电源壳体的内外壁焊接完成封装；所述高压电源盖板上还留有引线孔；

C13、采用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片在壳体内腔顶部、环侧和底部，将电路板和电源金属外壳隔离，PCB入壳时固定隔离片位置，采用硅橡胶灌封定型；

C2、微光像增强器整体外壳电磁屏蔽设计

C21、采用磷青铜材料一体冲压得到厚度为0.2mm的水桶状微光像增强器整体外壳，在所述微光像增强器整体外壳内侧靠近高压电源的位置焊接引线至高压电源盖板上的输入地完成接地；

C22、像增强管放置于微光像增强器内部，在像增强管所在区域使用长条形和圆环形的聚酰亚胺薄膜片作绝缘垫片置于像增强管和微光像增强器整体外壳之间，像增强管和高压电源放置到微光像增强器整体外壳内部后整体进行硅橡胶灌封；

C23、微光像增强器整体外壳的盖板边界设置有凸台结构，所述微光像增强器整体外壳和盖板组合后边缝采用锡焊封接固定。

2.一种采用权利要求1所述设计方法设计的微光像增强器。