航空航天应用的微型舱壁EMI滤波器

多层陶瓷电容器(MLCC)制造的进步导致了微型外壳电容器的电压和电容性能的显著提高。这些进步已经扩展到陶瓷盘状电容器，在大多数舱壁式EMI抑制滤波器中使用。它们现在以更小的包装提供，使空间和重量受限的航空航天应用中的电磁干扰控制更容易和更可靠。

目前，盘状电容器的外径可小至0.050”，电容可达5,000pF。他们也有等效的型号，这有助于确保在10GHz及以上范围内的有效插入损耗。通过适当的滤波器设计和使用，微型盘状电容器可以实现高性能的隔板滤波器，节省空间和重量，这两者在航空航天应用中都是至关重要的，包括无人机对抗设备，使用一定强度和频谱宽度的EMI使飞行平台无法操作或允许它被另一个实体接管。

航空航天应用中的电磁干扰控制

电磁干扰控制是航空航天系统中一个关键的设计问题。缺乏EMI保护的设计有完全或部分丧失与终端系统通信和控制能力的风险。例如，在卫星系统中，电磁干扰威胁可能来自自然(如电离层)或有意或无意的工程源，其来源、位置、量级和持续时间各不相同。

终端系统正在快速发展，以满足市场对日益复杂的电子内容的稳定需求，这些电子内容能够在更低电压的更小封装中以更快的速度运行。立方体卫星就是一个很好的例子。首先在大型卫星上验证的技术经历了几次工艺、材料和设计迭代，以更好地满足尺寸、重量和功率(SWaP)要求，随着知识和工艺数据库的扩展，变化的速度和幅度进一步增加，导致小型卫星非常适合低地球轨道和其他更高轨道。小型化和增强功能的趋势几乎没有放缓的迹象，事实上，越来越多的小型化无源和有源组件的支持，这些组件旨在利用改进的材料纯度、新的器件加工技术和制造进步，在小封装中提供增强的性能。例如，最初基于几个单独晶体管的系统现在由小尺寸fpga控制。

然而，使用先进半导体来帮助实现尺寸减小的航空航天系统往往会增加EMI易感性，当考虑到自然和工程EMI的风险时，如目标能源威胁，就会产生一个场景，其中EMI控制是主要的设计考虑因素。事实上，在当今嘈杂的电子环境中，EMI控制是如此重要，以至于政府的监管也有增加的趋势——包括欧盟委员会电磁兼容性指令以及由FCC的EMC部门-专门针对在关键、高可靠性应用中减轻EMI威胁和影响。

幸运的是，由于飞行电子设备中的许多子系统都装在金属盒子里，基本上相当于法拉第笼，因此最优的EMI控制通常只需要在进入盒子的I/O和电源线上添加隔板滤波器。隔板滤波解决方案在这些类型的应用中提供了理想的EMI噪声控制，因为滤波发生在箱体接口，从而消除了对SMT滤波器发出的辐射痕迹的任何担忧。

舱壁的过滤器

隔板滤波器被设计安装在电子外壳墙壁内的孔中，并通过各种可选滤波器类型将来自外部环境的信号传递到内部盒子，如图1所示。标准的隔板过滤器可以用螺栓或焊接到外壳中，而隔板过滤器阵列，通常与电源和电池充电应用中的pogo销和过滤器垫相关联，可以焊接，附着导电环氧树脂，或钎焊到这些盒子上。

图1:典型隔板过滤器的截面图。蓝色导线通过螺栓式隔板过滤器进入箱体壁，红色导线通过焊接式隔板过滤器进入箱体壁。

所有舱壁滤波器，无论形状因素如何，都通过滤波器网络连接箱体两侧的信号，可以采用C, L, T, Pi, LC或CL滤波器，甚至瞬态抑制装置，以帮助控制EMI。

图2:此表列出了在舱壁过滤解决方案中常用的几种过滤器类型，以及它们非常适合的应用类型。

目前市场上可用的大多数隔板式EMI抑制滤波器采用盘状电容器，其外径可小至0.050”，电容可达5,000pF，并提供等效型号，有助于确保在10GHz及以上范围内的有效插入损耗。盘状电容器具有圆形的形状因素，具有用于一组电极的内部金属化终端孔和连接相反电极组的外部金属化边缘，通常要么焊接到隔板滤波器的镀金金属外壳内，要么附着导电环氧树脂。隔板滤波器中使用的盘状电容器的陶瓷介电可以基于任何介电，尽管这里只讨论那些具有NP0/C0G和X7R介电的电容器，并且这些滤波器中使用的电感可以从铁氧体珠到磁芯和线绕器件。

图3:盘状电容器图(左)和装有盘状电容器的隔板滤波器的截面图(右)。

一旦隔板过滤器的内部设计完成并进行电气组装，内部组件就会与外部环境隔离，使用环氧树脂(用于非密封应用)，使用玻璃密封(用于密封应用)，或者使用环氧树脂和玻璃的组合(用于仅需要密封过滤器一端的应用)。环氧树脂的选择是基于其与内部组件的热膨胀系数(CTE)的兼容性，以及其提供冲击和振动保护的能力，并密封内部过滤器组件免受操作环境中水分和其他进入危害的影响。与树脂填充过滤器不同，密封设备在金属外壳上焊接了玻璃-金属密封，以确保零放气的可能性，并在内部过滤器组件与外部环境之间提供最高水平的环境隔离。两种密封技术之间的一个共同点是，在过滤器安装过程中，它们都需要特别注意扭矩和热量。过高的热量和扭矩会使金属过滤器外壳变形，并对内部的陶瓷盘状电容器施加应力，从而破坏密封密封，并导致树脂填充和密封过滤器中的电容器破裂。

航空航天应用中电磁干扰控制的隔板滤波器

如果选择和安装得当，隔板滤波器在高可靠性操作和最高衰减滤波器响应方面为关键航空航天应用提供最佳的EMI控制，因为衰减发生在法拉第笼(即箱体外壳壁)，而不是在信号进入箱体之后。在SMT滤波器之前，外壳内的滤波对从线路辐射或传导到线路上的信号没有任何控制作用。

此外，通常用于隔板滤波器的盘状电容器的寄生含量远远低于任何类型的表面安装到pcb的离散过滤电容器。事实上，配备盘状电容器的隔板滤波器的电响应表现出近乎理想的电容器性能。除了SMT滤波设计中mlcc的封装电感远高于盘状电容器外，相应的迹线尺寸和SMT衬垫也增加了相当大的电感，这些更高的寄生电感和电容的综合效应显著限制了基于离散无源器件的任何滤波器的频率响应。例如，根据外壳尺寸的不同，盘状电容器只能表现出通常由离散SMT mlcc表现出的5%的电感。

对更小、重量更轻的部件、设备、设备和系统的需求很容易理解，因为将一磅硬件发射到太空的成本很高约10000美元军用和商用飞机的性能和运营费用都直接受到飞机总重量的影响。然而，尽管设计人员可以采用各种高密度滤波器配置，并在这些应用中采用不断扩大的微型高性能滤波器，但这些降低根本不能以牺牲滤波器功能、吞吐量电流额定值或可靠性为代价，因为有效的EMI控制对操作成功也至关重要。

有两种简单的方法来增加盒子壁上的过滤器密度，最明显的是使用圆头过滤器来代替六角头配置。圆头过滤器需要几乎零间隙的装配和扭矩相对于六角头过滤器，也可以在过滤器的垂直轴上使用修改的工具进行紧固。虽然这些高密度配置不会减少过滤器的整体体积或重量，但它们确实能够实现更紧凑的I/ o，因此，有可能实现更高的箱体密度，这有助于减少总体积。

增加箱壁过滤器密度的第二种选择是考虑自定义过滤器板组件，采用圆头过滤器安装在定制钢，黄铜或铝板内，特别设计用于最大密度和最小机械应力。组件还提供在发货前经过扭矩、焊接和测试的成品高密度过滤器解决方案，这有助于减少安装时间和成本。

图4:三种隔板过滤器配置:六角过滤器(左)，圆头过滤器(中)和自定义过滤板组件(右)．

为了使过滤器组件直接减少总重量和体积，设计师必须采用小型化过滤器。与传统过滤器类型相比，微型舱壁过滤器特别设计，可提供显著的质量和体积减小，并可广泛从一系列经过验证的无源组件供应商获得。大多数在当今市场上提供的各种微型隔板滤波器家族都是基于最小的盘状电容器和电感器。

隔板滤波器的小型化趋势可以分为三类:微型、超微型和微型滤波器——即使与离散SMT滤波器电容器相比，所有这些滤波器都提供了惊人的体积和质量节省。例如，0805 SMT MLCC的重量约为0.020g，占用0.0049cc。然而，SMT MLCC还需要PCB衬垫和遵守“隔离”规则，当这些因素也被考虑在内时，离散0805 SMT MLCC的总体积几乎翻了一番，达到~0.0085cc。此外，SMT MLCC的滤波器响应效率大约只有微型隔板滤波器的10%。真正的效率将取决于对频率响应需求和路由影响的复杂权衡，因此，可能会因终端设计而有很大差异。

图5:此表比较了额定工作电压为200V和10MHz至10GHz的三种类型(微型、超微型和微型)和两种类型(焊接式和螺栓式)的微型隔墙滤波器的性能特征。

除了考虑微型舱壁滤波器的范围、质量和体积特性外，航空航天系统设计人员还应特别注意滤波器在频率上的衰减。根据MIL-PRF-28861/12规范，具有1nF电容的c型滤波器的插入损耗要求如图6所示。无论其物理尺寸如何，用于航空航天应用的标准、微型、超微型和微型舱壁滤波器满足或超过表中的衰减。

图6:根据MIL-PRF-28861/12规范，具有1nF电容的c型滤波器的衰减特性。

使用150pF, 330Ω的人体模型(HBM)和接触放电进行了额外的比较测试，以确定舱壁式馈电滤波器的ESD生存能力。在本次试验中，以10Hz重复频率的交替极性脉冲为特征，在8kV测试水平下，向容量为10pF、100pF和1000pf (1nF)的c型隔板滤波器中心引脚注入了10个不同大小的脉冲，结果为零故障。目前正在进行额外的工作，以确定这些组件的最大电压生存能力和重复打击磨损特性。

舱壁过滤器的未来

随着元件设计人员不断减少隔板滤波器的质量和体积，它们最终将遇到实际尺寸限制，这是由嵌入其中的微型盘状电容器的电容值和外壳尺寸决定的。在某些时候，从电容器的外部陶瓷壁的电极回拉量将大于盘状电容器的活性区域，这将导致任何进一步的尺寸缩小，大大降低电容值。

然而，在那之前，组件制造商将继续开发日益小型化的隔板滤波电容器，这些电容器还提供了并行的好处，包括增加电流容量、电压和工作温度范围，以帮助下一代航空航天系统设计人员满足严格的尺寸和重量限制，并进一步提高系统性能。无源元件制造商也积极致力于开发能够在更高压力和更宽频谱下工作的过滤设备。随着时间的推移，新的配置引脚将出现，以进一步优化特定应用中的滤波器连接，新组件类型的家族将被封装在微型滤波器中，以创建用于下一代飞行电子设备的螺栓式和焊接式滤波器模块。