車載終端音頻輻射騷擾性能的優(yōu)化方法

常君　徐建軍

摘 要：針對車載終端在電磁兼容測試過程中音頻輻射騷擾超標問題，從設計和測試兩個方面進行了分析，通過優(yōu)化濾波器參數(shù)、改善PCB布局等方法，并將其對策到實際音頻電路中。整改后的測試結果表明，車載終端音頻輻射騷擾測試符合實際要求。

關鍵詞：電磁兼容;車載終端;輻射騷擾;濾波器

1 引言

車載終端是車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中重要的組成部分，集成了數(shù)據(jù)采集、通信、應急通話等多項功能，可以實現(xiàn)汽車的遠程狀態(tài)監(jiān)測、緊急事故報警等。受整機體積限制，車載終端音頻電路選用效率高、體積小的D類音頻放大器，但是由于D類音頻放大器采用的PWM調制技術，這種調制技術在驅動后級功率管高速切換時，會帶來一些高頻諧波噪聲，這些高頻諧波噪聲人耳無法識別，但會對周邊車載電子系統(tǒng)造成一定的影響，即EMI問題，因此必須將諧波噪聲輻射的影響降至允許限值以內，才可以使用。

本文主要分析了車載終端音頻輻射騷擾產(chǎn)生的原因，并提出了優(yōu)化及改善措施。

2 車載終端音頻測試分析

車載終端在做EMC實驗時，音頻電路需要正常工作，實驗室需要參照一些參考標準來判定是否合格。該類產(chǎn)品參考標準有汽車廠家的企業(yè)標準、國家標準、國際IEC標準等。測試方法及布局依據(jù)CISPR 25-2008要求規(guī)定進行，測試結果應滿足標準限值要求，由于本實例汽車廠家自制標準嚴于其他任何標準，因此以汽車廠家自制標準為判定依據(jù)。其中輻射測試電波暗室法規(guī)定頻率在0.5-1.8MHz區(qū)間，限值要求平均值<12dBuV/m，峰值<30dBuV/m。實際試驗布置見圖1，輻射測試天線選用長度為1m桿狀垂直單極天線。首次摸底測試結果見圖2。

由圖2及表1可知，在0.4 MHz處，即標號2位置，輻射能量最大，但此處頻率不在規(guī)定范圍內，而在1.2MHz處，即標號4位置，測得的輻射波形能量平均值超出限值6.15dB（限值為12dBuV/m），而峰值未超標（限值為30dBuV/m）。判定為不合格，需要整改。

3 車載終端音頻輻射騷擾分析

車載終端音頻電路采用的是TI公司的TAS5411型號芯片，該芯片是一款汽車級單路模擬輸入的D類音頻放大器，芯片內部采用PWM調制技術，將輸入的差分信號經(jīng)過調制器調制后，再驅動后級H-橋功率管切換開關工作，經(jīng)過外部LC濾波網(wǎng)絡濾波后推動揚聲器工作。后級推動電路等效為圖3所示，內部H–橋是由四個MOS功率管構成，可以等效成開關，PMOS在上，NMOS在下，每個MOS管旁并聯(lián)寄生體二極管（也叫體二極管）。

以圖3為例，當PWM控制H–橋從1狀態(tài)逐漸切換到3狀態(tài)過程中，在狀態(tài)1 時，NMOS導通，電流由下往上流過NMOS管到負載;在2狀態(tài)，由于NMOS關斷，由于負載（電感）電流的不能突變的特性，NMOS 的體二極管被迫導通，到了3狀態(tài)，PMOS 開啟，由于體二極管上電壓突然翻轉，使得其快速關斷，最終電感電流由PMOS提供。而在從2到3的轉換過程當中，會伴隨有較大的反向恢復電流，正是由于大的反向恢復電流出現(xiàn)在體二極管上，會導致很大的di/dt，這也正是電磁干擾的主要來源。該PWM切換頻率在0.4MHz，因此在輸出信號線和電源線上變化的電流信號帶來的EMI噪聲輻射，主要集中在10MHz以下的頻段;而方波的邊沿變化一般是在納秒級別的，如圖4所示，測試為8.2ns，根據(jù)EMI發(fā)射帶寬的公式F=0.35/Tr，其中：F 是頻率，單位是GHz;Tr 是單位為ns（納秒）的信號上升時間或者下降時間。 從公式中不難看出，當上升沿時間是8.2ns，那么該電路的最高EMI發(fā)射頻率將達到42MHz，遠遠大于該電路的測試時超標頻率1.2MHz，因此排除了方波可能性。

根據(jù)傅里葉級數(shù)變換，任何周期性重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量，同樣對于方波也適用。現(xiàn)場通過實驗也證實了：當對音頻放大器實施靜音控制，此1.2MHz輻射超標點也立刻消失，即此輻射超標頻點是伴隨音頻功放大器的內部驅動后級橋式功率管切換開關工作而出現(xiàn)的。該芯片驅動切換開關的工作頻率是0.4MHz，因此1.2 MHz輻射超標點是基波0.4MHz的3倍奇次諧波。

當電磁干擾波的頻率小于30MHz時，電磁干擾主要是以傳導方式在電子設備中傳導噪聲的，而本輻射超標頻點是1.2 MHz<30MHz，應該是以傳導方式傳播的，通過對實際測試布局圖分析發(fā)現(xiàn)，負載喇叭距離車載終端線長2米，設備供電電源屬于遠端接地方式，而測試天線位于線束布局中間處，只能接收來自空間的輻射干擾。因此說明該諧波噪聲通過線束沿線束傳播，在傳播過程中，形成了空間輻射。

4 車載終端整改分析

抑制輻射騷擾從切斷輻射路徑和改善器件周邊設計兩個方面解決。

（1）針對傳導輻射整改：該D類音頻放大器后級輸出連接有LC 濾波網(wǎng)絡，如圖5所示，通過LC濾波網(wǎng)絡，把高頻分量濾除后，將脈沖信號還原成模擬信號。通過試驗確認調整外部濾波網(wǎng)絡參數(shù)的辦法，降低濾波網(wǎng)絡的截止頻率，阻止基頻能量向外輻射，從而有效解決諧波輻射能量超標問題。該實例中濾波參數(shù)調整前L=10uH，C=1uF，截止頻率約為50.3KHz;調整后L=33uH，C=3.2uF，截止頻率約為15.5KHz，。車載終端對音頻頻率高值要求8KHz，符合要求。

（2）其他方面整改：

A. 加強鋪地：擴大地平面，在布線中應多點接地，保證最短電流返回路徑，從而縮短了電流的環(huán)路面積，減少輻射;

B. 加強包地：對模擬音頻輸入、I2C時鐘線+數(shù)據(jù)線、功放輸出到濾波電感這一段，都要包地，并且包地要有過孔連接到整個地平面上。

C.元件布局：電源入口處濾波電容應按照容值從大到小順序依次向芯片供電引腳緊湊靠近，這樣可以減小差模輻射的環(huán)路面積。對于功放輸出腳外接的低通濾波器，元件盡可能須按照信號的流向來布局，使信號保持一個方向，并且對稱、布局緊湊。濾波器件的接地應與功放的地在同一層相連接，如不在同一層相連接，必然通過過孔相連，過孔盡可能多。

D.PCB布線：所有的走線要最短，保證連續(xù)性，寬度不要突然變化，不要走直角或銳角。在濾波電感底層不要走其他線，應該是全部為地線或地平面。

通過以上多項措施改善，經(jīng)過實際測試測得在1.2MHz數(shù)值為6.25dB，低于限值要求，滿足了需求。圖6為復測測試結果，如圖中標號4，表2為復測測試數(shù)據(jù)。

5 結語

綜上所述，本文從設計和測試兩個方面分析了車載終端在電磁兼容測試過程中音頻輻射騷擾超標的原因，通過優(yōu)化濾波器參數(shù)、改善PCB布局等措施解決了音頻輻射騷擾超標問題，取得了一定的效果，同時降低了EMC風險。在實際應用中，這些對策方案也可以應用到相關的車載終端設備中，但需要針對實際設計電路靈活掌握。

參考文獻：

[1]CISPR 25：2008 Radio disturbance characteristics for the protection of receivers used on board vehicles，boats and on devices-limits and methods of measurements[S]. 2008.

[2]鄒傳彬，唐波.數(shù)字功放（D類）中的EMC設計.電子世界，2018（5）.

[3]陳立輝等.電磁兼容（EMC）設計與測試之汽車電子產(chǎn)品.北京： 電子工業(yè)出版社，2014：153.

[4]王云，蔣莉，張旭，吳在園，陳希琛.車載終端傳導騷擾性能的優(yōu)化.安全與電磁兼容，2018（3）.