車輛及零部件輻射發(fā)射分析與設(shè)計

林森，陳博凱，張志鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

如今汽車（傳統(tǒng)汽車、電動汽車、無人車）上大量電子電器設(shè)備的應(yīng)用，集成了各類電機控制器，傳感器，多媒體設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備，造成車內(nèi)系統(tǒng)之間以及車輛對外電磁輻射升高，整車電磁兼容惡化。例如，某款車載的多媒體設(shè)備，導(dǎo)航儀和倒車?yán)走_(dá)集成裝置經(jīng)常出現(xiàn)死機現(xiàn)象；某電動車在電臺或者信號發(fā)送區(qū)域的故障率明顯增加；某款車儀表在停車狀態(tài)下車速指針出現(xiàn)擺動等現(xiàn)象。以上問題在車輛現(xiàn)場是無法直接解決的，需要通過專用儀器設(shè)備進(jìn)行排查，這是一個耗時耗力的過程，有可能持續(xù)幾個月的時間，直接導(dǎo)致車輛定型或上市時間延遲。這些問題的根源就是沒有系統(tǒng)的進(jìn)行電磁兼容設(shè)計與驗證。

電磁兼容的英文名稱為“Electromagnetic Compatibility”，通常用“EMC”來表示。GB/T 4365-2003中對電磁兼容給出了專業(yè)的定義：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁現(xiàn)象看不到摸不到卻無時無刻不在我們身邊發(fā)生。本文列出了車輛及零部件需要通過哪些法規(guī)測試以及法規(guī)之間的橫向比較，引出電磁兼容設(shè)計需考慮的因素，總結(jié)車輛設(shè)計要求，通過實車試驗證明了設(shè)計思路的正確性，為新車型開發(fā)提供了設(shè)計依據(jù)。

1 整車及零部件法規(guī)要求

對車輛法規(guī)的了解是進(jìn)行車輛設(shè)計的前提，目前車輛法規(guī)類標(biāo)準(zhǔn)分為民品和軍品兩類，在民品車輛里既有傳統(tǒng)車型也有最新電動車類標(biāo)準(zhǔn)，見下表1統(tǒng)計所示。

表1 車輛法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

不管是民用車輛還是軍用車輛，在測試方法上大致相同，由于軍、民車輛在使用環(huán)境上的差異導(dǎo)致法規(guī)限值的曲線及限值不同，但在設(shè)計思路和方法上是一致的，通過試驗數(shù)據(jù)比對，民用車輛零部件輻射發(fā)射在Level3級水平或以上將減少整車發(fā)射失敗的概率，民用車輛的Level4或Level5級在某些頻段近似軍用車輛的等級標(biāo)準(zhǔn)。在零部件開發(fā)成本可控的前提下對零部件的試驗等級盡量提高要求以增加整車試驗的通過概率。

特別強調(diào)的是GB 34660從2018年1月1日開始實施，參考了ECE R10.3版本內(nèi)容，車輛在認(rèn)證時除了做輻射發(fā)射外，還增添了輻射抗擾相關(guān)內(nèi)容，增加了通過難度。

2 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計

2.1 輻射發(fā)射特性

輻射發(fā)射是指以電磁波的形式通過空間傳播電磁噪聲能量的過程，電氣電子設(shè)備工作時產(chǎn)生的伴隨電磁輻射是一類主要的干擾源，這種輻射并不是設(shè)備為了完成預(yù)定功能而必須發(fā)射的，而是設(shè)備在正常工作過程中產(chǎn)生的意外發(fā)射，它是產(chǎn)品輻射發(fā)射超標(biāo)的主要源頭，所有電子設(shè)備必須盡量消除這種伴隨發(fā)射。

圖1 左側(cè)為電流環(huán)天線右側(cè)為電偶極天線

為了消除這種輻射發(fā)射，必須了解電磁輻射的條件。電磁波輻射的兩個必要條件是天線和流過天線的交變電流，電子設(shè)備之所以會產(chǎn)生輻射干擾，是因為電子設(shè)備中包含了各種寄生天線，只要消除寄生天線或降低了這些天線的輻射效率或避免交變電流進(jìn)入這些天線，電磁輻射將會大幅減小。因此控制輻射干擾源的過程就是分析寄生天線，消除寄生天線以及控制天線輻射的過程。兩個基本的天線結(jié)構(gòu)是電流環(huán)和電偶極如下圖1所示。

根據(jù)觀測點到輻射源的距離，將區(qū)域分為近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)。假定觀測點到輻射源的距離為 D，將 D＜λ/2π的區(qū)域稱為近場區(qū)，將 D＞λ/2π的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場區(qū)。λ/2π附件區(qū)域稱為過渡區(qū)。阻抗與距離的關(guān)系如下圖2所示。

圖2 電流環(huán)天線和電偶極天線的波阻抗

1）如果 Z≥7.9Df（D的單位為 m，f的單位為 MHz）則E=VA/4πD3（uV/m）式中：E電路輻射的電場強度（uV/m）；V為驅(qū)動源的電壓（V）；A為電路的面積（cm2）；D為觀測點到電路的距離（m）。

2）如果Z≤7.9Df（D的單位為m,f的單位為MHz）則E=63IAf/D2（uV/m）式中：E為電路輻射的電場強度（uV/m）；I為電路中的電流（A）；f為電流的頻率（MHz）；A為電路的面積（cm2）；D為觀測點到電路的距離（m）。

由輻射發(fā)射原理我們可以看出輻射能量與電流，電壓，頻率，環(huán)路面積，距離有直接關(guān)系，由此設(shè)計時要關(guān)注這些量的變化對結(jié)果的影響。

2.2 濾波器件的阻抗頻率特性

在PCB板級EMC設(shè)計中常用的濾波器件有很多種類，包括電阻、電感、電容，鐵氧體磁珠等。

表2為基本元器件的頻率阻抗特性，從圖中可以看出高低頻差異明顯不同。

表2 頻率阻抗特性圖

通常在設(shè)計電路時重點關(guān)注的是低頻情況下元件的特性，隨著時鐘，芯片工作頻率的提高，小空間多芯片PCB的設(shè)計越來越復(fù)雜，在某些高速板的設(shè)計過程中如果沒有考慮到元器件的高頻特性，在功能實現(xiàn)上都會出現(xiàn)問題。因此在開始設(shè)計過程中就應(yīng)考慮到元件的射頻特性。

電容、電感元件在設(shè)計過程中被經(jīng)常使用，電容的容抗Z=1/2πfc，電感的感抗 Z=2πfl，在諧振頻率之前，容抗隨頻率增加而減小，感抗隨頻率增加而增大，在高頻下這是我們使用的特性。而在諧振頻率之后，電容表現(xiàn)為感性，電感表現(xiàn)為容性，電感和電容將失去原有特性，濾波能力將大打折扣，因此在使用這些元器件時需關(guān)注其諧振頻率f=1/2π√LC。以上這些基礎(chǔ)概念貫穿于整個設(shè)計過程中但也常常被忽略.在板級及系統(tǒng)級設(shè)計過程中應(yīng)時刻掌握影響輻射發(fā)射的關(guān)鍵因素。

2.3 屏蔽、接地、濾波三大手法的應(yīng)用

EMC設(shè)計的三大手法，屏蔽、接地、濾波在各種書籍中均有提到，如何將理論靈活應(yīng)用在車輛整體設(shè)計或某個分系統(tǒng)上是一個艱難的過程，整車線束和零部件一旦布置捆扎好，后期試驗過程中發(fā)現(xiàn)問題時變線束或變動零部件位置方面將非常困難，因此在設(shè)計初期除了考慮通過法規(guī)要求外還須根據(jù)車輛實際使用的環(huán)境選擇一種性價比高的電磁兼容設(shè)計方案。表3在設(shè)計時必須得到處理。

表3 設(shè)計要求

3 設(shè)計整改案例

3.1 零部件試驗

1）火焰預(yù)熱控制器在設(shè)計之初并未進(jìn)行電磁兼容性考核，裝在駕駛室后在工作時會影響到車輛電臺的通話質(zhì)量，測試后發(fā)現(xiàn)單體并未達(dá)到限值要求，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 30MHz-200MHz測試曲線

通過數(shù)據(jù)分析是晶振選型以及PCB設(shè)計不合理導(dǎo)致。由于PCB設(shè)計者只考慮功能實現(xiàn)，并未有EMC方面的知識，導(dǎo)致PCB沒有考慮EMC和Safety，實車使用過程中多次出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，需經(jīng)常更換備件，PCB板走線和元器件擺位不合理已無法進(jìn)行整改。因此重新設(shè)計PCB并對元器件進(jìn)行選型，合理分割地平面，新樣品一次合格，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 30MHz-200MHz測試曲線

通過原理及PCB合理設(shè)計，新樣品在成本上并未增加多少，但可靠性卻大幅提高。樣品試驗照片如圖5所示。

圖5 樣品試驗照片

2）車輛組合儀表在輻射發(fā)射測試時發(fā)現(xiàn)輻射超標(biāo)，打開儀表后蓋發(fā)現(xiàn)儀表殼體在噴漆時沒有對結(jié)合處進(jìn)行保護，也作了噴漆處理，導(dǎo)致殼體兩個接觸面表面上看起來是接觸的，其實是絕緣的，整個殼體相當(dāng)于有60cm長的一條縫隙，導(dǎo)致殼體內(nèi)輻射通過縫隙泄露，并未達(dá)到殼體屏蔽的作用。儀表的線束插頭針腳未做濾波處理以及線束走線沒有進(jìn)行捆扎耦合了芯片的能量，導(dǎo)致對外輻射超標(biāo)嚴(yán)重，圖6為測試超標(biāo)曲線。

圖6 200MHz-1000MHz測試超標(biāo)曲線

通過將接縫處噴漆刮掉，將接插件引腳進(jìn)行濾波，對儀表內(nèi)部線束進(jìn)行走線捆扎避開視頻模塊信號耦合到線束上后測試效果得到明顯改善。圖7為整改后試驗數(shù)據(jù)，整改方案見圖8、圖9所示。

圖7 200MHz-1000MHz測試通過曲線

圖8 殼體邊緣噴漆處理及添加濾波模塊

圖9 線束走線設(shè)計避免高頻耦合

3.2 整車試驗

圖10 整車垂直方向數(shù)據(jù)

圖11 整車水平方向數(shù)據(jù)

圖12 整車試驗照片

通過對零部件單體進(jìn)行逐一試驗確定滿足要求后，將線束、零部件裝入車輛進(jìn)行整車試驗，試驗時需打開燈光，雨刮，多媒體，空調(diào)等所有電器件。圖10為垂直方向?qū)嶒灁?shù)據(jù)，圖11為水平方向?qū)嶒灁?shù)據(jù)，圖中直線部分是限值要求，試驗達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。圖12為整車試驗照片。

4 結(jié)論

本文通過開發(fā)新車型的機會，將電磁兼容設(shè)計的思路和方法提出一些建議進(jìn)行了驗證，通過對零部件，線束的設(shè)計測試，以及對工藝的嚴(yán)格要求，使車輛整體電磁兼容性達(dá)到法規(guī)的要求，滿足了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，證明了設(shè)計要求的正確性。但因各廠家整體布置及零部件設(shè)計不同，設(shè)計細(xì)節(jié)應(yīng)具體問題具體分析。

[1] （美）B.E.凱瑟.電磁兼容原理[M].北京：電子工業(yè)出版社,1985.

[2] 楊繼深.電磁兼容技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.6.

[3] （美）路德維格.射頻電路設(shè)計—理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002.5.