CN114123148B - 一种航空三线制传感器端口防护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空传感器领域，涉及一种航空三线制传感器端口防护电路。包括两部分，一部分为外部端口处理电路，另一部分为内部单板接口处理电路；本发明可以适应三线制4mA～20mA电流传感器在飞机上直流28V电源的各种供电特性，同时在外部电源线和地线为裸线情况下的电磁环境干扰，电路输出的4mA～20mA电流信号稳定可靠，能够将电源线上的干扰进行充分抑制，从而避免了由于供电信号干扰而造成的输出信号波动或跳变。该防护电路具有较强的共模干扰抑制效果，当外部电缆不屏蔽时，能够耦合进入传感器内部的共模干扰进行充分抑制，从而适应机上复杂的电磁环境，通过试验验证，运用该接口防护电路的传感器可以通过GJB151B‑2013的海军飞机外部平台试验考核。

Description

一种航空三线制传感器端口防护电路
技术领域
本发明属于航空传感器领域，涉及一种航空三线制传感器端口防护电路。
背景技术
目前在航空传感器领域，4mA～20mA输出信号形式以其高稳定性、适合远距离传输等特点占据了主导地位，其原理是通过信号变送电路将采集信号按照线性比例转换为4mA～20mA电流信号，在目前应用的4mA～20mA变送信号传感器中，从电气接口划分，可以分为二线制、三线制和四线制。
三线制4mA～20mA输出信号相对二线制4mA～20mA，在电气接口上设计了电源地GND，从供电兼容角度解决了二线制4mA～20mA信号过压浪涌和电压脉动情况下输出跳变问题，具有较好的电源适应性。
在航空领域，通常对传感器外部供电电源线和地线设置为非屏蔽线，现有三线制4mA～20mA电流传感器电磁兼容敏感度测试易出现超标问题。
发明内容
本发明目的：基于电磁兼容要求的提高和外部电缆屏蔽不理想的现实情况，为了解决现有三线制4mA～20mA电流传感器电磁兼容敏感度测试超标问题，本发明提供了一种新的兼具抑制外部电磁干扰和电压浪涌干扰的端口防护电路。
本发明的技术方案：
一种航空传感器端口防护电路，包括两部分，一部分为外部端口处理电路，另一部分为内部单板接口处理电路；外部端口处理电路是将与外部电缆互联的端口进行充分的滤波防护；内部单板接口处理电路是对由导线互联的内部单板之间设置滤波防护电路，防止内部连接导线上在高频下耦合的干扰信号影响互联单板的正常工作。
所述外部端口处理电路包括：浪涌抑制模块、电源线第一级共模滤波模块、第一级差模滤波模块、第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块、信号线共模滤波模块；当外部端口上接收到浪涌干扰、耦合共模干扰和差模干扰后，浪涌抑制模块启动，将安全电压值传递给电源线第一级共模滤波模块、第一级差模滤波模块、第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块、信号线共模滤波模块，分别针对高频、低频差模和共模干扰进行抑制，从而将电源和信号线的干扰值降低到可接受范围，传递给内部功能电路。
所述浪涌抑制模块用于对电源线浪涌电压进行抑制，保护后级电路；第一级共模滤波模块，第一级差模滤波模块，第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块的作用是将电源线和地线上耦合的共模干扰和差模干扰进行抑制，避免影响后级电路；信号线共模滤波模块的作用是将信号线上耦合的共模干扰和差模干扰进行抑制。
所述浪涌抑制模块由瞬态抑制二极管构成，所述瞬态二极管的正端与外部电源正端相连，瞬态二极管的负端与电源地相连。
所述第一共模滤波模块由电容构成，其中电源正线的电容并联后一端接入经浪涌抑制模块抑制后的电源正信号，另一端与机壳地相连；电源地信号的电容并联后一端接浪涌抑制模块抑制后的电源地信号，另一端与机壳地相连；
所述第一级差模滤波模块由电感构成，分别与第一共模滤波模块的输出端串联；
所述第二级共模滤波模块由共模电感和电容构成，等效为L型滤波电路；共模电感输入端与第一级差模滤波模块的输出端相连，电容并联后一端与共模电感的输出端相连，另一端与大地相连。
所述第三级共模滤波模块由共模电感构成，共模电感的输入端与所述第二级共模滤波模块的输出端相连，共模电感的输出端与后级第四级共模滤波模块输入端相连。
所述第四级共模滤波模块由磁珠和电容构成，等效为L型滤波电路；其中一个磁珠一端连接第三级共模滤波模块电源正线输出端，磁珠另一端连接第四级共模滤波模块的一个电容输入端。
所述信号线共模滤波模块由磁珠和电容构成，磁珠一端连接内部传感器输出信号，另一端与电容的一端相连；电容一端与磁珠的输出端相连，另一端与大地相连。
所述一级共模滤波电路由电容和磁珠构成π型滤波电路，其中电容的一端连接单板内部信号，另一端连接大地；磁珠的一端连接上述电容的输出端，另一端连接第二级共模滤波电路的输入端；电容的一端连接所述磁珠的输出端，另一端连接大地。
所述二级共模滤波电路由共模电感和电容构成。第一个共模电感的一端接上述一级共模滤波电路的输出端，另一端连接滤波电容的输入端；滤波电容的一端连接第一个共模电感的输出端，另一端连接大地；第二个共模电感的输入端连接上述电容的输出端，另一端连接单板信号端口。
本发明的有益效果：
本发明可以适应三线制4mA～20mA电流传感器在飞机上直流28V电源的各种供电特性，同时在外部电源线和地线为裸线情况下的电磁环境干扰，电路输出的4mA～20mA电流信号稳定可靠，能够将电源线上的干扰进行充分抑制，从而避免了由于供电信号干扰而造成的输出信号波动或跳变。该防护电路具有较强的共模干扰抑制效果，当外部电缆不屏蔽时，能够耦合进入传感器内部的共模干扰进行充分抑制，从而适应机上复杂的电磁环境，通过试验验证，运用该接口防护电路的传感器可以通过GJB151B-2013的海军飞机外部平台试验考核。
附图说明
图1为防护电路外部端口处理电路图
图2为防护电路内部单板接口处理电路
图3外部端口处理电路框图
图4内部单板接口处理电路框图
图5内部单板交联示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述。
一种航空传感器端口防护电路，包括两部分，一部分为外部端口处理电路，另一部分为内部单板接口处理电路；外部端口处理电路是将与外部电缆互联的端口进行充分的滤波防护；内部单板接口处理电路是对由导线互联的内部单板之间设置滤波防护电路，防止内部连接导线上在高频下耦合的干扰信号影响互联单板的正常工作。
所述外部端口处理电路包括：浪涌抑制模块、电源线第一级共模滤波模块、第一级差模滤波模块、第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块、信号线共模滤波模块；如图3所示。
当外部端口上接收到浪涌干扰、耦合共模干扰和差模干扰后，浪涌抑制模块启动，将安全电压值传递给电源线第一级共模滤波模块、第一级差模滤波模块、第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块、信号线共模滤波模块，分别针对高频、低频差模和共模干扰进行抑制，从而将电源和信号线的干扰值降低到可接受范围，传递给内部功能电路。
所述浪涌抑制模块用于对电源线浪涌电压进行抑制，保护后级电路；第一级共模滤波模块，第一级差模滤波模块，第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块的作用是将电源线和地线上耦合的共模干扰和差模干扰进行抑制，避免影响后级电路；信号线共模滤波模块的作用是将信号线上耦合的共模干扰和差模干扰进行抑制。
所述浪涌抑制模块由瞬态抑制二极管构成，所述瞬态二极管的正端与外部电源正端相连，瞬态二极管的负端与电源地相连。
所述第一共模滤波模块由电容构成，其中电源正线的电容并联后一端接入经浪涌抑制模块抑制后的电源正信号，另一端与机壳地相连；电源地信号的电容并联后一端接浪涌抑制模块抑制后的电源地信号，另一端与机壳地相连；
所述第一级差模滤波模块由电感构成，分别与第一共模滤波模块的输出端串联；
所述第二级共模滤波模块由共模电感和电容构成，等效为L型滤波电路；共模电感输入端与第一级差模滤波模块的输出端相连，电容并联后一端与共模电感的输出端相连，另一端与大地相连。
所述第三级共模滤波模块由共模电感构成，共模电感的输入端与所述第二级共模滤波模块的输出端相连，共模电感的输出端与后级第四级共模滤波模块输入端相连。
所述第四级共模滤波模块由磁珠和电容构成，等效为L型滤波电路；其中一个磁珠一端连接第三级共模滤波模块电源正线输出端，磁珠另一端连接第四级共模滤波模块的一个电容输入端。
所述信号线共模滤波模块由磁珠和电容构成，磁珠一端连接内部传感器输出信号，另一端与电容的一端相连；电容一端与磁珠的输出端相连，另一端与大地相连。
内部单板接口处理电路包括一级共模滤波电路，二级共模滤波电路；其作用是消除两个电路板由于导线带入的寄生电感影响。图4所示。
所述一级共模滤波电路由电容和磁珠构成π型滤波电路，其中电容的一端连接单板内部信号，另一端连接大地；磁珠的一端连接上述电容的输出端，另一端连接第二级共模滤波电路的输入端；电容的一端连接所述磁珠的输出端，另一端连接大地。
所述二级共模滤波电路由共模电感和电容构成。第一个共模电感的一端接上述一级共模滤波电路的输出端，另一端连接滤波电容的输入端；滤波电容的一端连接第一个共模电感的输出端，另一端连接大地；第二个共模电感的输入端连接上述电容的输出端，另一端连接单板信号端口。
实施例
本电路主要由浪涌抑制、电磁干扰滤波电路组成，主要包括TVS管V1，滤波电容C1～C25，磁珠E1～E7，差模电感L1～L2，共模电感L3～L6。本发明涉及的电路中包含多级滤波电路，由于传感器信号特点，模拟信号易受干扰导致敏感度测试超标，在电源线和地线为裸线情况下，耦合到产品内部的共模干扰以及转化的差模干扰量值较高，因此本电路设计多级滤波对外部干扰进行有效抑制。
其中端口定义如下：
IN——28V直流供电正线(外部端口)
GND——28V直流供电回线(外部端口)
OUT——电流信号输出端(外部端口)
IN1——28V直流供电正线(内部板级端口)
GND1——28V直流供电回线(内部板级端口)
OUT1——电流信号输出端(内部板级端口)
OUT1'——电流信号单板接口(内部板级端口)
IS1——关键信号单板接口(内部板级端口)
IS1'——关键信号单板内部引出端(内部板级端口)
TVS管V1起到作用为保护抑制供电信号发生突变，过高的瞬时电压损坏内部电路，因此在接口最外端设置TVS管V1，用于吸收瞬态过电压的功率。
IN为飞机28V直流供电信号，GND为28V供电回线，PGND为传感器的机壳地。V1的一端与供电信号IN相连，另一端与GND相连，起到对供电端口IN的过压防护功能。
电容C1～C4并联，一端与供电信号IN相连，另一端与PGND相连，起到IN端口的共模滤波作用，电容C5与C6并联，一端与供电回线GND相连，另一端与PGND相连，起到对GND端口的共模滤波作用；
电感L1和L2为差模电感，用于吸收回路中的差模干扰；
共模电感L2和C11、C14构成共模滤波电路，共模电感L2消除IN线和GND线上的共模干扰，电容C11、C14为共模滤波电容，用于加强共模滤波效果。内部其他器件构成进一步多级滤波。
内部单板接口处理电路设置在关键信号的内部板级交联接口位置，用于消除高频下板级之间互联线带来的寄生电感影响。一般来说，1mm的互联线等效寄生电感约1nH，当互联线为5cm时，等效寄生电感为50nH，该接地线在不同频率下的等效阻抗见式(1)。
ZL＝2πfL (1)
当100MHz时，通过计算寄生电感约为314Ω，随着频率的增大，互联导线连接的等效转移阻抗也将迅速增大，形成一个较大的压降，该压降成为辐射的驱动，影响关键信号的传输。
本发明所提出的三线制传感器接口防护电路可以进行功能扩展，可以在此基础上增加端口雷电防护功能、增加供电反极性保护功能。
本发明所提出的电路可使用不同类型的4mA～20mA功能转换电路，根据匹配的功能电路不同，将电路中的器件参数进行调整或扩展形式，本发明保护范围之内。
同时该电路具备EMI滤波功能，能够将内部功能电路的辐射发射和传导发射进行抑制，保证传感器产品的电磁兼容性。

Claims (9)

1.一种航空传感器端口防护电路，其特征在于，包括两部分，一部分为外部端口处理电路，另一部分为内部单板接口处理电路；外部端口处理电路是将与外部电缆互联的端口进行滤波防护；内部单板接口处理电路是对由导线互联的内部单板之间设置滤波防护电路；所述外部端口处理电路包括：浪涌抑制模块、电源线第一级共模滤波模块、第一级差模滤波模块、第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块、信号线共模滤波模块；当外部端口上接收到浪涌干扰、耦合共模干扰和差模干扰后，浪涌抑制模块启动，将安全电压值传递给电源线第一级共模滤波模块、第一级差模滤波模块、第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四共模滤波模块、信号线共模滤波模块，分别针对高频、低频差模和共模干扰进行抑制，从而将电源和信号线的干扰值降低到可接受范围，传递给内部功能电路；
所述浪涌抑制模块用于对电源线浪涌电压进行抑制，保护后级电路；第一级共模滤波模块，第一级差模滤波模块，第二级共模滤波模块、第三级共模滤波模块、第四级共模滤波模块的作用是将电源线和地线上耦合的共模干扰和差模干扰进行抑制；信号线共模滤波模块的作用是将信号线上耦合的共模干扰和差模干扰进行抑制。
2.如权利要求1所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述浪涌抑制模块由瞬态抑制二极管构成，所述瞬态抑制二极管的正端与外部电源正端相连，瞬态抑制二极管的负端与电源地相连。
3.如权利要求2所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述第一级共模滤波模块由电容构成，其中电源正线与电容并联后一端接入经浪涌抑制模块抑制后的电源正信号，另一端与机壳地相连；电源地信号的电容并联后一端接浪涌抑制模块抑制后的电源地信号，另一端与机壳地相连。
4.如权利要求1所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述第一级差模滤波模块由电感构成，分别与第一共模滤波模块的输出端串联。
5.如权利要求1所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述第二级共模滤波模块由共模电感和电容构成，等效为L型滤波电路；共模电感输入端与第一级差模滤波模块的输出端相连，电容并联后一端与共模电感的输出端相连，另一端与大地相连。
6.如权利要求1所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述第三级共模滤波模块由共模电感构成，共模电感的输入端与所述第二级共模滤波模块的输出端相连，共模电感的输出端与后级第四级共模滤波模块输入端相连。
7.如权利要求1所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述第四级共模滤波模块由磁珠和电容构成，等效为L型滤波电路；其中一个磁珠一端连接第三级共模滤波模块电源正线输出端，磁珠另一端连接第四级共模滤波模块的一个电容输入端。
8.如权利要求1所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述信号线共模滤波模块由磁珠和电容构成，磁珠一端连接内部传感器输出信号，另一端与电容的一端相连；电容一端与磁珠的输出端相连，另一端与大地相连。
9.如权利要求1所述的航空传感器端口防护电路，其特征在于，所述一级共模滤波电路由电容和磁珠构成π型滤波电路，其中电容的一端连接单板内部信号，另一端连接大地；磁珠的一端连接上述电容的输出端，另一端连接第二级共模滤波电路的输入端；电容的一端连接所述磁珠的输出端，另一端连接大地。
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