奕閣牌電動汽車屏顯組合儀表的EMC設計

閆永德，溫偉，張曉敏

（太原太航汽車電子有限公司，山西太原 030006）

奕閣牌電動汽車屏顯組合儀表的EMC設計

閆永德，溫偉，張曉敏

（太原太航汽車電子有限公司，山西太原 030006）

從電路板系統(tǒng)對外接口和電路板內部接口出發(fā)，闡述電動汽車屏顯組合儀表的EMC設計方法，供儀表設計工作者參考。

電動汽車；屏顯組合儀表；EMC

EMC（Electro Magnetic Compatibility）是電磁兼容的英文縮寫，指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行，并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指電器在正常運行過程中，對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指電器對所在環(huán)境中存在的電磁干擾，具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

電動汽車高壓動力電源和低壓控制電源并存，加上大功率電機、逆變器、電機的矢量控制及驅動器，還有眾多的低壓電器等。這些電器的大量使用，造成電動汽車的EMC環(huán)境問題比起燃油汽車更加突出，因此在整車和相關零部件的EMC設計方面提出了更高的要求。電動汽車組合儀表作為車輛信息指示、預警、報警的關鍵零部件，與汽車的許多電器部件有著電信號的連接，如通過CAN總線、LIN總線、高低電平信號線、傳感器信號線等其它信號線，獲得車輛相關運行信息，組合儀表就會通過這些對外連接信號線傳出或接收到電磁干擾信號。為了保證組合儀表能夠在電動汽車這種電氣環(huán)境中可靠運行，必須在產(chǎn)品設計階段解決儀表的EMC問題。本文以奕閣牌電動汽車的屏顯組合儀表為例，介紹其EMC設計經(jīng)驗。

杭州長江汽車有限公司的奕閣牌電動汽車屏顯組合儀表（以下簡稱為“儀表”）如圖1所示。顯示面板由LED指示燈、4塊LCD顯示屏組成，插座共35根導線與汽車的相關部件連接。該儀表具有圖形動畫顯示功能，主控芯片采用了32位帶TFT驅動的微控制器SPC5606S，系統(tǒng)總線時鐘工作在64MHz。電路上需要做EMC處理的有電源、CAN接口電路、LIN接口電路、傳感器接口電路、高電平輸入電路、低電平輸入電路、顯示屏接口電路及電路板系統(tǒng)內部電路。該儀表的EMC設計分為電路板系統(tǒng)對外接口的EMC設計和電路板系統(tǒng)內部的EMC設計。

圖1 奕閣牌電動汽車組合儀表

1 電路板系統(tǒng)對外接口的EMC設計

電路板系統(tǒng)對外接口EMC防護處理的目的，就是要儀表系統(tǒng)對內和對外達到隔斷干擾源的作用，即阻斷傳導干擾。該儀表的傳導干擾處理從以下6部分做了EMC處理。各電路中采用的TVS管用于接口的ESD防護和電源的電壓浪涌保護。

1.1 電源電路的EMC設計

奕閣牌電動汽車上所有的低壓電器的工作電源，全來自汽車上的12 V鉛蓄電池，當點火開關處于OFF狀態(tài)時，低壓電器只通過12V鉛蓄電池供電，工作處于低功耗工作模式；當點火開關處于ON狀態(tài)時，所有的低壓設備通電就緒，處于正常工作模式，耗電量加大，此時由DC／DC給低壓設備供電的同時給鉛蓄電池充電。在DC／DC工作情況下，電源噪聲很大。奕閣牌電動汽車儀表電源部分的EMC處理電路如圖2所示。TVS管DV21和DV22作為ESD防護，電容C1、C2濾波，自復式熔斷絲F1作為過流保護，電感L1、L2和電容C3組成T型濾波器來凈化電源噪聲。

圖2 電源EMC處理電路

1.2 CAN總線的EMC設計

CAN總線通過CAN_H和CAN_L的差分電平信號傳輸。CAN總線具有隱性和顯性兩種邏輯狀態(tài)。隱性狀態(tài)下，CAN_H和CAN_L都被固定為平均電壓電平，兩者之間的電壓差為0；顯性狀態(tài)下，CAN_H和CAN_L的電平分別為3.5 V和1.5 V，兩者差分電壓大于2 V，如圖3所示。其EMC處理電路如圖4所示，共模濾波器L0、電阻RL1、RL2、電容C0組成EMI和EMS防護電路。

圖3 CAN總線電壓特性

圖4 CAN總線的EMC處理電路

1.3 LIN總線的EMC設計

LIN總線EMC處理電路如圖5所示。磁珠RF、電容C1組成高頻RC網(wǎng)絡濾除100 MHz以上干擾信號。電感L1、電阻R1、電容C2組成濾波器，針對LIN總線使用波特率以上頻率的尖峰干擾進行濾除。

圖5 LIN總線EMC處理電路

1.4 高電平邏輯輸入的EMC設計

高電平邏輯輸入EMC處理電路如圖6所示。磁珠RF、電容C1組成高頻RC網(wǎng)絡濾除100MHz以上干擾信號，穩(wěn)壓管DW為高電平有效電壓設置，電阻R1、電阻R2、電容C2組成三極管輸入抗干擾電路，輸入的高電平經(jīng)過三極管邏輯反向后供MCU識別。

圖6 高電平邏輯輸入EMC處理電路

1.5 低電平邏輯輸入的EMC設計

低電平邏輯輸入EMC處理電路如圖7所示。低電平邏輯與高電平邏輯輸入電路的EMC處理電路相同，只是增加了偏置電阻R1和電流單向限制的二極管D1，使得原本識別高電平的電路變成只能識別低電平有效的邏輯識別電路。

圖7 低電平邏輯輸入EMC處理電路

1.6 儀表的變電阻式傳感器EMC設計

電路如圖8所示。該儀表所采用的變電阻式傳感器電阻變化范圍1.5～54 kΩ，傳感器的工作電流為0.09～1.5mA，容易受到線束中大電流信號線感應電壓信號的影響，除了傳感器的信號線使用屏蔽線外，儀表的傳感器輸入電路也做相應的EMC處理。磁珠RF、電容C1組成高頻RC網(wǎng)絡濾除100 MHz以上干擾信號；電阻R2、電阻R3、電容C2組成積分電路抑制尖峰干擾后，信號再給MCU的ADC采集處理。

圖8 變電阻式傳感器輸入的EMC處理電路

2 電路板系統(tǒng)內部的EMC設計

電路板系統(tǒng)內部EMC防護處理的目的，是增強儀表電路系統(tǒng)內部核心電路自身的抗干擾能力，減少或限制自身內部干擾源的產(chǎn)生，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，減小對外輻射干擾。該儀表電路板系統(tǒng)內部的EMC處理如下。

2.1 電源去耦設計

奕閣牌電動汽車儀表采用SPC5606S單片微控制器，系統(tǒng)總線時鐘工作在64MHz，內部各功能部件工作所需的電能取自芯片的電源引腳，這樣會使內部復雜的電磁波通過其電源引腳向外傳播，因此，必須在芯片的各電源引腳間（電源正與電源負）增加圖9所示的穩(wěn)壓去耦電路，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。其中大容量電容E起到蓄能穩(wěn)壓的作用，小容量電容C起到高頻旁路的作用，它們的組合使用就可以達到引腳電源凈化的作用。

圖9 去耦電路

2.2 復位電路的抗干擾設計

微控制器的電源復位監(jiān)控最容易受到電壓干擾。被干擾就會造成儀表的核心芯片SPC5606S工作不正常，導致儀表工作不正常。解決辦法：提高復位電路的靜態(tài)工作電流，增加復位信號尖峰濾波電容。復位電路如圖10所示。R1為復位負載電阻，C9為濾波電容，通過調整這2個元器件的參數(shù)，可以提高復位信號的抗干擾能力。

2.3 晶振電路的設計

圖10 復位電路

圖11 晶振電路

微控制器是時序電路芯片，作為芯片系統(tǒng)時鐘源的晶體振蕩電路，其穩(wěn)定性和抗干擾性的處理最為重要，應嚴格按照芯片廠家推薦的晶振電路，并結合晶振的參數(shù)特性設計。晶振電路如圖11所示。電容C1、C2為振蕩電路的負載電容，通過調整其值，使晶振工作在其諧振頻率的最佳點；電阻R1起到阻抗匹配作用，使電路的振幅最佳，從而提高了整個芯片的EMC性能。

2.4 TFT顯示屏RGB信號的設計

微控制器SPC5606S直接驅動5英寸TFT彩屏，它和TFT屏之間采用24位RGB數(shù)據(jù)傳輸，屬于高速并行數(shù)據(jù)傳輸。除了在PCB設計時采用等長數(shù)據(jù)線設計外，還應在數(shù)據(jù)線中串聯(lián)56Ω電阻，吸收數(shù)據(jù)傳輸過程中電磁波反射的能量，提高屏幕的顯示效果，降低電磁波的輻射干擾。

2.5 PCB的EMC設計遵循原則

1）根據(jù)電路原理，進行模塊化劃分，依據(jù)信號流和能量流的原則劃分。

2）根據(jù)電路模塊工作頻率、能量的高低、信號的相關性，進行元器件布局。

3）根據(jù)電路電流大小進行走線劃分，充分利用電源線和搭鐵線來屏蔽敏感信號線。

4）充分利用布局和走線來減小高頻無用信號的搭鐵耦合阻抗，達到高頻干擾就地消滅。

5）走線阻抗最低原則，最大可能地減少過孔，優(yōu)先采用表貼器件。

3 結語

通過以上設計方法，奕閣牌電動汽車儀表在EMC試驗中一次性通過ISO11452-2 IV級測試。該儀表電路的EMC設計方法，供同行業(yè)設計參考。由于EMC設計必須針對產(chǎn)品電路參數(shù)特性而言，因此以上提供的處理電路僅作為處理方法。電路中的部分元器件參數(shù)未標注，以免讀者照搬使用起不到應有的EMC效果，請根據(jù)自己產(chǎn)品電路特點自行計算。

［1］林福昌，李化.電磁兼容原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］王曉榮，余穎.電工電子技術基礎［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2010.

（編輯心翔）

Dashboard EMC Design of Changjiang eBoss Electronic Vehicle

YAN Yong-de，WEN Wei，ZHANG Xiao-min
（Taico Automobile Electronics Co.，Ltd.，Taiyuan 030006，China）School of continuing education，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

From the perspective of circuit board connector，this article demonstrates the EMC design method for electric vehicle dashboard，which provides reference for dashboard designers.

electric vehicle；dashboard；EMC

U463.7

A

1003－8639（2017）01－0005－03

2016-06-14；

2016-07-07

閆永德（1973-），男，工程師，從事屏顯組合儀表的電路系統(tǒng)和EMC設計工作；溫偉（1983-），男，工程師，從事屏顯組合儀表的固件開發(fā)工作；張曉敏（1987-），男，助理工程師，從事屏顯組合儀表的固件開發(fā)的軟件設計工作。