車輛電子電器的電磁兼容性測(cè)試與抑制方法的研究

丁亞平　劉方磊　張胤　白雪強(qiáng)

摘 要：隨著越來(lái)越多的車載電子電器設(shè)備的開(kāi)發(fā)和使用，使得車輛電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越突出。本文從車輛電子電器設(shè)備電磁兼容測(cè)試中常見(jiàn)的問(wèn)題出發(fā)，指出減小導(dǎo)線串?dāng)_、優(yōu)化電路、采用屏蔽和濾波等技術(shù)能夠有效地改善部件電磁兼容性，為汽車電子電器系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：電磁兼容性；騷擾；濾波

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）06-0023-05

Abstract： With more and more electrical and electronic devices are opened up and applied to automobile， the problems of automobile's Electro-Magnetic Compatibility become more and more prominent. Basised on the problems of EMC Tests of these electrical and electronic devices， this article find some ways to improve the Electro-Magnetic Compatibility of automobile's electrical and electronic devices. These methods and experiments that iclude reducing wire interference， optimizing circuit， using shielding and filtering technology， can be useful in the research on the Electro-Magnetic Compatibility for automotive motors.

Key Words： Electro-Magnetic Compatibility； Interference； Filtering

1 引言

隨著電子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，車載電子電器設(shè)備種類和數(shù)量越來(lái)越多樣化、復(fù)雜化，各種車載電子電器設(shè)備的密集度、集成度越來(lái)越高，車輛內(nèi)外的電磁環(huán)境也變得越來(lái)越復(fù)雜。由此常常造成車輛電子設(shè)備的性能降低、失效不能工作、誤動(dòng)作甚至損壞等，既影響了廣大車主的用車體驗(yàn)還給人們行車安全帶來(lái)了嚴(yán)重危害。因此，現(xiàn)今汽車電磁兼容技術(shù)變得越發(fā)重要，已成為汽車開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)過(guò)程中不可忽視的重要部分。

2 車輛電子電器的電磁兼容問(wèn)題及案例分析

電磁兼容性（EMC，Electro-Magnetic Compatibility）

是指在同一電磁環(huán)境中設(shè)備能不因其他設(shè)備的干擾影響其正常工作，同時(shí)也不對(duì)該環(huán)境中其它設(shè)備產(chǎn)生影響其工作的電磁干擾。顧名思義，電磁兼容就包含著兩方面要求，其一就是同一臺(tái)設(shè)備自身產(chǎn)生的電磁場(chǎng)應(yīng)當(dāng)保持在不產(chǎn)生干擾的最低水平；其二是抗干擾，即設(shè)備暴露在外部磁場(chǎng)中能夠持續(xù)可靠工作的能力?，F(xiàn)在隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車電磁兼容問(wèn)題的重視程度提高，針對(duì)汽車類電子電器部件的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)也越來(lái)越多，這就對(duì)產(chǎn)品提出了更高的要求?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)汽車電子電器部件電磁兼容性測(cè)試的主要項(xiàng)目有輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射、瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射、瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度、自由場(chǎng)抗擾度、大電流注入抗擾度和靜電放電抗擾度測(cè)試等。以下我們就從這幾方面談一談汽車電子電器的電磁兼容測(cè)試技術(shù)與抑制方法的一些案例研究。

結(jié)合一些常引用的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，我們選取一些平時(shí)測(cè)試中的車載電子電器系統(tǒng)、組合儀表和一些配電控制模塊進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比分析這些部件的傳導(dǎo)騷擾、輻射騷擾、自由場(chǎng)抗擾度的測(cè)試結(jié)果，結(jié)合參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值和要求，反復(fù)整改、驗(yàn)證所得的一些經(jīng)驗(yàn)。

2.1 輻射發(fā)射

汽車零部件的輻射發(fā)射主要是線束上的輻射，通電的導(dǎo)線和線纜可視為等效天線，因此車載電子設(shè)備的線束上的輻射騷擾較為嚴(yán)重，再者一般線束中導(dǎo)線間距離通常過(guò)近，導(dǎo)線之間會(huì)產(chǎn)生一定的寄生電容、電感，這些也都是導(dǎo)致輻射騷擾過(guò)高的原因。

首先在這里我們分析下共模發(fā)射和差模發(fā)射對(duì)抑制輻射騷擾電平是很有必要的。通常我們把線地之間的發(fā)射定義為共模發(fā)射，線線對(duì)外的發(fā)射定義為差模發(fā)射。其原理如下圖1所示：

我們?cè)谄綍r(shí)的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于電路中輻射發(fā)射而言，共模電流引起的輻射相對(duì)差模電流引起的輻射來(lái)說(shuō)要更嚴(yán)重。較小的共模電流能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的共模輻射，而且很多因素都能產(chǎn)生共模電流，很小的共模電流能與很大的差模電流產(chǎn)生同等的輻射發(fā)射強(qiáng)度。因此我們得出汽車零部件產(chǎn)品減少輻射發(fā)射的一些解決方法：

1.減小零部件及模塊的共模信號(hào)回路路徑。但此部分通常受限于廠商出廠產(chǎn)品固化限制，很難去拆分較小的控制電路模塊，在實(shí)際解決方案中很少采用。

2.加大共模阻抗，減小噪聲電流。此方法一般采用濾波、隔離及阻抗匹配等措施，相對(duì)于電路而言比較容易實(shí)現(xiàn)，所以平時(shí)整改經(jīng)常采用。

3.減小共模電壓。常用的途徑就是改善接地設(shè)計(jì)。

下面主要介紹第二種方案，采用濾波電路來(lái)加大共模阻抗、減小噪聲電流從而降低輻射發(fā)射的一個(gè)案例。在電源線端做好濾波措施，針對(duì)不同的輻射發(fā)射超標(biāo)頻點(diǎn)選擇合適的濾波電感和電容，能很好的抑制電源線輻射超標(biāo)問(wèn)題，常見(jiàn)的濾波電路如圖2所示：

濾波電路中采用的電感分為差模電感和共模電感，分別抑制差模噪聲和共模噪聲，差模電感感量在μH級(jí)，抑制的頻率在10MHz以下，共模電感感量在mH級(jí)，抑制的頻率一般在10MHz以上，針對(duì)不同頻點(diǎn)選擇合適的電感。而電容的類型很多，不同類型在相同的容值下對(duì)高低頻的抑制能力不同，如無(wú)感瓷片電容對(duì)高頻抑制效果好，電解電容對(duì)低頻抑制效果好。endprint

下面引用我們?cè)囼?yàn)中的某廠商的一個(gè)雨刮電機(jī)總成輻射發(fā)射整改方案的例子：

下圖3左為GB/T 18655-2010輻射騷擾測(cè)試曲線圖，產(chǎn)品在試驗(yàn)中在142MHz--245MHz頻段幾乎全頻段超標(biāo)，我們通過(guò)分析得知輻射是通過(guò)電源正負(fù)線輻射出來(lái)的。根據(jù)相關(guān)理論知識(shí)選擇合適的電感和電容對(duì)電源線進(jìn)行了處理，具體濾波電路如圖2，輸入端我們采用2個(gè)電容相并聯(lián)，即一個(gè)容值較大的電解電容與一個(gè)容值較小的無(wú)感瓷片電容相并聯(lián)。無(wú)感瓷片電容的分布電感很小，截止頻率較高，適用于高頻濾波。由于無(wú)感瓷片電容的容值較低，要穩(wěn)定電路中的輸出電壓，必須并聯(lián)一個(gè)容值較大的電解電容。圖3右為整改后的曲線，超標(biāo)頻點(diǎn)下降10-20dB左右，滿足3級(jí)限值要求。

2.2 傳導(dǎo)發(fā)射

傳導(dǎo)發(fā)射是指一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體（如：電源線、信號(hào)線、控制線等）傳導(dǎo)電磁噪聲能量的過(guò)程。汽車零部件的傳導(dǎo)發(fā)射主要是由線束上的各種途徑的耦合而來(lái)。我們知道，車載部件的傳導(dǎo)發(fā)射頻率一般從幾千赫茲到1G赫茲以上，在高頻時(shí)由于傳導(dǎo)損耗會(huì)使傳導(dǎo)電流大大衰減。因此，在低頻范圍內(nèi)，傳導(dǎo)發(fā)射是電磁干擾的主要形式。如設(shè)計(jì)上不采取相應(yīng)抑制措施，很多汽車零部件的傳導(dǎo)發(fā)射都會(huì)超標(biāo)，這樣就嚴(yán)重威脅了車輛其他電子設(shè)備的正常工作。

傳導(dǎo)發(fā)射只有在具有騷擾源、傳輸途徑、敏感設(shè)備三大要素時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。所以相應(yīng)的抑制措施也是針對(duì)這三大要素來(lái)制定。在對(duì)騷擾源的處理上，一般車載的電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)換器、螺線管、繼電器等，這些裝置設(shè)備會(huì)把騷擾引入電源線和信號(hào)線中，所以我們采用一些整流、濾波電路就能很好地抑制這些騷擾。在切斷傳輸途徑上，地線干擾會(huì)造成各電子器件之間的傳導(dǎo)耦合，所以減小地線、電源回線的阻抗、正確選擇接地方式都可以減小地線干擾。在對(duì)敏感設(shè)備的處理上，應(yīng)當(dāng)考慮讓車載部件對(duì)于干擾信號(hào)不易敏感，所以在電路上的信號(hào)電平和阻抗大小與電路所用器件必須相適應(yīng)。

下面引用我們?cè)囼?yàn)中的某廠商的一個(gè)閃光繼電器傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)解決方案的例子：

該樣件的傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)時(shí)在30MHz到108MHz有頻點(diǎn)超過(guò)限值線。經(jīng)分析后得知在電源線上傳導(dǎo)騷擾較大。閃光繼電器是通過(guò)控制繼電器開(kāi)關(guān)不停斷開(kāi)閉合來(lái)工作，會(huì)通過(guò)電源線對(duì)外形成傳導(dǎo)騷擾。我們發(fā)現(xiàn)在對(duì)源頭的開(kāi)關(guān)處并上1uF的電容只會(huì)對(duì)低頻騷擾有明顯的抑制，在高頻處并無(wú)明顯作用。但干擾源頭我們鎖定是開(kāi)關(guān)動(dòng)作無(wú)疑，這說(shuō)明單對(duì)開(kāi)關(guān)處的濾波措施并不足夠。最后我們?cè)陔娐氛?fù)極之間加一個(gè)簡(jiǎn)單的一級(jí)濾波電路來(lái)進(jìn)行寬頻濾波，所選的電容為100uF的電解電容，整改后傳導(dǎo)騷擾滿足限值的要求，試驗(yàn)曲線如下圖4所示：

從原理上來(lái)講，傳導(dǎo)騷擾的耦合是一種互阻抗耦合或互導(dǎo)納耦合，傳導(dǎo)耦合途徑要求在干擾源和敏感設(shè)備之間有完整的電路連接。濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施，濾波電路的種類有很多，根據(jù)電路的特點(diǎn)選用和設(shè)計(jì)合適的濾波電路是電磁兼容電路設(shè)計(jì)重要課題。

2.3 射頻場(chǎng)抗擾度

射頻場(chǎng)抗擾度測(cè)試一般采用的是大電流注入法和電波暗室法（也稱自由場(chǎng)法）。大電流注入法是利用電流注入探頭將電流直接感應(yīng)到線束中對(duì)樣品進(jìn)行抗擾度試驗(yàn)的一種方法。電波暗室法是在電波暗室中完成的輻射抗擾度測(cè)試方法。電波暗室法適用的頻率范圍是80 MHz～18 GHz，我實(shí)驗(yàn)室一般用于400MHz以上頻段的抗擾度測(cè)試，測(cè)試嚴(yán)酷度等級(jí)以施加的場(chǎng)強(qiáng)為單位。不同汽車零部件在相同或不同頻段內(nèi)的抗擾能力不一樣，射頻場(chǎng)抗擾度采用的大電流注入法和電波暗室法原理不同使得其各自適用的頻段也不同，大電流注入法適應(yīng)于低頻段，而電波暗室法更適用于高頻段。

結(jié)合電波暗室法的案例來(lái)分析，某款車載儀表產(chǎn)品在做自由場(chǎng)測(cè)試時(shí)，等級(jí)為100V/m的時(shí)候出現(xiàn)在一部分頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)“嘯叫”現(xiàn)象，屏幕圖像在400MHz—560MHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)“花屏、抖動(dòng)”現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)要求上產(chǎn)品這種情況屬于在施加干擾期間的系統(tǒng)功能下降，無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)判據(jù)“A”的要求。實(shí)物如下圖5：

我們針對(duì)產(chǎn)品的特性進(jìn)行分析，施加的干擾進(jìn)入系統(tǒng)影響功能的途徑主要有以下幾個(gè)方面：從外部電源線和音頻線束耦合進(jìn)入系統(tǒng)、從系統(tǒng)屏蔽搭接不良的外殼縫隙耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部、從顯示屏幕板直接耦合進(jìn)入系統(tǒng)。

解決這類問(wèn)題，我們需要從干擾進(jìn)入系統(tǒng)的各種可能途徑綜合分析，一步步進(jìn)行排除。對(duì)于從外部電源線和音頻線束耦合進(jìn)入系統(tǒng)的干擾在內(nèi)部電路板需要增加相應(yīng)的濾波電路，在較高的頻段出現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)判定要求的，我們要增加磁珠和高頻電容，具體的電容參數(shù)選擇需要根據(jù)有問(wèn)題的頻段和頻點(diǎn)靈活選擇。像此儀表屏幕圖像在400MHz—560MHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)“花屏、抖動(dòng)”現(xiàn)象，我們選擇了100pF的高頻電容。此外，對(duì)于增加的濾波電路和磁珠我們也要一定程度的屏蔽處理，這樣避免干擾跳過(guò)濾波器件直接耦合到次級(jí)進(jìn)入系統(tǒng)。因此我們?yōu)V波器件和磁珠都用銅箔紙包起來(lái)做了一些簡(jiǎn)單的屏蔽。再者，我們?cè)谙到y(tǒng)屏蔽搭接不良的外殼縫隙也同樣用銅箔紙包起來(lái)做好屏蔽，最大程度上避免干擾從系統(tǒng)屏蔽搭接不良的外殼縫隙耦合進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。

2.4 靜電放電

關(guān)于對(duì)車載電子器件的靜電放電的防護(hù)，我們從靜電放電的條件來(lái)看，靜電放電有3個(gè)條件，即：一定能量的靜電荷，一定的距離，放電導(dǎo)體。所以針對(duì)ESD問(wèn)題通常我們采取隔離和加保護(hù)電路的措施，下面結(jié)合一些實(shí)例講解實(shí)用措施。

結(jié)合靜電放電的案例來(lái)分析，某款車載儀表在做靜電放電測(cè)試時(shí)，等級(jí)為15 kV的空氣放電時(shí)候出現(xiàn)“花屏”現(xiàn)象，無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)判據(jù)“A”的要求，實(shí)物如下圖6：

解決這類問(wèn)題，我們需要從干擾進(jìn)入系統(tǒng)的各種可能途徑綜合分析排查。

1.隔離，切斷傳輸路徑。

經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，每千伏的靜電電壓擊穿距離在1mm左右，因此一些電路板，走線離開(kāi)易放電的邊緣8-10mm就可以抵抗8kV左右的靜電電壓，最關(guān)鍵的ESD敏感器件一定要布局在板子中央。

2.關(guān)鍵管腳加保護(hù)器件

ESD敏感器件的某些管引腳或者信號(hào)進(jìn)出的接口容易被靜電擊穿，通常的做法是在靠近此器件相應(yīng)管腳處安裝合適的穩(wěn)壓二極管，利用二極管的雪崩效應(yīng)和鉗位特性，保護(hù)相應(yīng)的ESD敏感管腳。

3. 電源濾波

實(shí)驗(yàn)證明，靜電放電引起的干擾脈沖是按指數(shù)規(guī)律衰減的電磁波，含有豐富的高頻分量，因此應(yīng)對(duì)電源進(jìn)線進(jìn)行濾波。信號(hào)線路上有選擇的添加一些合適的電容或串聯(lián)合適的電阻。

3 結(jié)語(yǔ)

車輛電子電器系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，各類電氣設(shè)備設(shè)備布局設(shè)計(jì)也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，而實(shí)際的電磁兼容問(wèn)題將更加復(fù)雜。通過(guò)前面的方法雖然可以對(duì)車內(nèi)的設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是汽車的電磁兼容問(wèn)題無(wú)論通過(guò)何種方法，都必須落實(shí)到實(shí)際當(dāng)中去。要保證良好的電磁兼容性能，必須首先要做好每個(gè)車輛部件的電磁兼容問(wèn)題，再來(lái)考究電子電器系統(tǒng)電磁兼容的總體設(shè)計(jì)，加強(qiáng)系統(tǒng)性和規(guī)范性設(shè)計(jì)，才能保證整車電磁兼容性達(dá)到技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)整車安全。

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