某儀表便攜式發(fā)射機抗擾測試問題分析及對策

李 明，魏 凱

（河南凱瑞車輛檢測認證中心有限公司，河南 焦作 454950）

電子電氣產(chǎn)品裝上汽車銷售到市場前，要通過各個國家的認證。在中國產(chǎn)品要經(jīng)過一系列的強檢項目認證。主要包含兩個方面：產(chǎn)品電磁兼容和產(chǎn)品安全性認證。隨著電磁環(huán)境日益復(fù)雜，越來越多的便攜式發(fā)射機產(chǎn)品出現(xiàn)在汽車上，現(xiàn)在的強檢標準已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在汽車行業(yè)的發(fā)展需求，越來越多的廠家根據(jù)國際標準制定了自己的企標。

21世紀以來，芯片高集成化發(fā)展迅速，汽車上電子產(chǎn)品日益增多以及日常電子產(chǎn)品普及，便攜式發(fā)射機所發(fā)射出的電磁輻射對汽車的影響就顯得尤為重要。便攜式發(fā)射機（平板電腦、手機、藍牙等）具有移動和普遍性，其出現(xiàn)在汽車內(nèi)會對汽車內(nèi)的電子設(shè)備產(chǎn)生影響，很可能會造成汽車電子設(shè)備的誤操作。由此可見便攜式發(fā)射機的測試對整車安全極為重要。

汽車儀表作為汽車的最直接顯示界面，它可以為車主顯示車的時速、燃油、轉(zhuǎn)速、水溫等車輛信息，以及各種信號指示燈的顯示和報警。車輛在行駛過程中，儀表要準確將車輛實時信息反饋給車主，這就要求它具有一定的電磁抗擾能力。其電磁抗擾能力的優(yōu)劣直接決定了其車輛信息的準確性，錯誤的反饋有可能影響到駕駛的安全。因此汽車儀表的電磁抗擾能力對于整車電磁兼容性的提升具有重要的意義。本文主要講的就是某汽車儀表的電磁兼容抗擾出現(xiàn)的問題及對策。

1 問題

某汽車儀表的研制規(guī)范要求，產(chǎn)品的便攜式發(fā)射機抗擾性試驗，應(yīng)達到國際標準ISO11452-9［1］的要求。進行試驗時，將樣品放置在厚50mm的非導(dǎo)電、低相對介電常數(shù)（εr≤1.4）的材料上，通過1700mm的電源線與負載模擬器連接，電源線經(jīng)過人工電源網(wǎng)絡(luò)與供電電源相連，通電使其正常運行。將天線放置在距樣品上方50mm處，天線中心對準儀表中心，并施加干擾。標準要求樣品在試驗過程中能夠正常運行，無任何異?，F(xiàn)象，但該樣品在頻段420～500MHz和頻段870～900MHz干擾施加過程中，儀表屏幕背光燈出現(xiàn)連續(xù)閃爍現(xiàn)象，干擾施加過后自動恢復(fù)正常，其他頻段干擾過程中無異常現(xiàn)象。

2 試驗分析

因在試驗過程中只有背光燈出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，其余功能正常，因此判斷可能是背光燈開關(guān)處可能受到電磁干擾的影響。要改善干擾產(chǎn)生的影響，需從電磁兼容三要素“干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備”［2］考慮。

1）干擾源。首先考慮干擾源，因為是抗擾實驗我們的騷擾源是人為的騷擾，此騷擾有固定距離，固定功率，此處無法對干擾源進行改變其次傳播途徑。

2）耦合途徑。此試驗為抗擾試驗，其傳播途徑為輻射干擾，輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾，一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用搭鐵線把它們隔離、在敏感器件上加蔽罩；最后考慮敏感設(shè)備，其硬件電路的設(shè)計與屏蔽搭接能有效地避免外部干擾。

在優(yōu)化敏感設(shè)備抗擾性能方面，每個單片機在設(shè)計之初都應(yīng)該有去耦網(wǎng)絡(luò)，來抑制外部干擾，該儀表使用的單片機未在背光燈插座處設(shè)計去耦網(wǎng)絡(luò)，所以懷疑可能是由此原因造成背光燈閃爍，為了驗證展開了以下試驗。

選擇一塊相同儀表，在該儀表背光電源插座處加上0.1μF的電容，在同一測試環(huán)境、同一測試位置進行反復(fù)測試。發(fā)現(xiàn)背光燈在420～500MHz頻段內(nèi)不再閃爍，但是有背光燈變暗的現(xiàn)象，分析是濾波電容太小導(dǎo)致。在該儀表背光電源插座處再加上一個0.1μF的電容，進行反復(fù)試驗，試驗結(jié)果表明背光燈在420～500MHz頻段表現(xiàn)正常，但870～900MHz頻段依然有屏幕閃爍現(xiàn)象。電源開關(guān)處傳來的干擾排除。接下來排查其傳播途徑上的原因，屏蔽傳播途徑首先排查線路中的傳播，找到其傳播位置，切斷其傳播路徑，在本單片機中發(fā)現(xiàn)復(fù)位腳管處的電容距離太遠，懷疑此處易受到干擾，出現(xiàn)異?？焖購?fù)位現(xiàn)象。為了驗證于是在同一儀表上在此管腳位置加上0.1μF的鐵皮電容，在同一測試環(huán)境、同一測試位置進行反復(fù)測試。試驗結(jié)果顯示背光燈在870～900MHz頻段表現(xiàn)正常。

3）敏感設(shè)備。最后儀表本身，完善儀表線路的設(shè)計以及屏蔽干擾源和合理的搭鐵以及濾波的措施才可以有效提高設(shè)備的電磁兼容性。屏蔽干擾源需要用屏蔽材料將儀表包封，我們將儀表外表面用銅箔進行包裹，在同一測試環(huán)境、同一測試位置進行反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)其在兩個頻段都有所改善，雖然此措施可以有效地阻斷電磁干擾的傳播，但是此方法成本、體積、質(zhì)量會增加，不適合車廠要求。儀表本身的搭鐵搭接濾波需要相互配合才能將儀表搭鐵，也可以有效改善兩個頻段的干擾現(xiàn)象，但是廠家要求不可以搭鐵，所以此方法不適用。

以上試驗研究表明，影響該儀表單片機的便攜式發(fā)射機抗擾性的原因有以下兩點：①儀表的電源位置未設(shè)計濾波去耦網(wǎng)絡(luò)；②儀表的單片機復(fù)位腳管的電容距離太遠，易受干擾。

3 理論分析

常用硬件抗干擾措施有3種：去耦、濾波、隔離。

去耦的主要功能就是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關(guān)噪聲在板上的傳播和將噪聲引導(dǎo)到地。一般數(shù)字電路在低頻段用0.1μF去耦電容即可，高頻段用1～10μF，計算按照：

式中：C——電容，F(xiàn)；f——通過電容的電源頻率，Hz。其原理就是利用電容對交流信號呈現(xiàn)低阻抗的特性，通過電容的等效阻抗公式可以看出：

式中：Xcap——容抗，Ω；π——圓周率；f——通過電容的電源頻率，Hz；C——電容，F(xiàn)。工作頻率越高，電容值越大則電容阻抗越大。如果為了增加電源和地的交流耦合，減少交流信號對電源的影響，就是去耦電容。

濾波是指各類信號按照頻率特性來分類控制他的方向。電容其本質(zhì)是通交流，隔直流，理論上來說電源濾波用電容越大越好，但是由于引線和PCB布線的原因，造成了實際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路，這就引入了諧振頻率的概念：

式中：ω——頻率，Hz；L——感抗，H；C——容抗，F(xiàn)（在諧振頻率以下電容呈容性，諧振頻率以上電容呈感性。所以一般大電容濾低頻波，小電容濾高頻波）。

隔離最典型的是光電隔離，使用光電隔離器件將單片機的輸入輸出端隔離開，達到干擾信號不得進入單片機和使單片機的本體噪聲不得傳導(dǎo)出去。

4 改進措施

根據(jù)檢驗結(jié)果，針對影響儀表單片機的便攜式發(fā)射機抗擾性的原因，對該單片機進行了以下的改進設(shè)計。

1）在定位受干擾位置時，發(fā)現(xiàn)在420～500MHz頻段內(nèi)是通過電源電路耦合進入敏感器件內(nèi)部，我們在此做出兩種方案：①增加一個100Ω的電阻；②增加一個0.1μF電容來形成一個濾波電路。在驗證過程中發(fā)現(xiàn)增加100Ω的電阻仍會出現(xiàn)背光燈閃爍現(xiàn)象，在增加一個0.1μF電容時現(xiàn)象改善但背光燈還是出現(xiàn)變暗現(xiàn)象，考慮此處增加電容小才會有此現(xiàn)象，于是再增加一個0.1μF電容，現(xiàn)象改善。做出整改如下。

修改原理圖和單片機設(shè)計，在儀表電源位置加上兩個0.1μF的濾波電容。如圖1所示。

圖1 修改原理圖1

2）在定位受干擾位置時，發(fā)現(xiàn)在870～900MHz頻段內(nèi)是因為復(fù)位腳管處的電容距離太遠，干擾從此處耦合進入電路中，在此處我們做出增加0.1μF鐵皮電容來減少線路間的相互耦合。再驗證試驗中通過試驗。做出如下整改。

修改原理圖和單片機設(shè)計，在儀表復(fù)位管腳位置加上0.1μF的鐵皮電容。如圖2所示。

圖2 修改原理圖2

3）從整體考慮，在儀表外部包裹屏蔽材料銅箔可以有效改善420～500MHz和870～900MHz頻段背光燈閃爍現(xiàn)象，但是此方法體積過大不符合整車裝備條件，如改變儀表外殼材料會提高成本，綜合考慮此方法舍棄。

5 結(jié)語

集成化高速發(fā)展的如今，便攜式發(fā)射裝置日益增多使得汽車電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，想要避免便攜式發(fā)射裝置對汽車行駛安全造成影響，最好在設(shè)計實施初期把控好電磁兼容設(shè)計，從而達到相關(guān)的認證要求，進而流入市場。若在設(shè)計試驗過程中，達不到標準要求，綜合使用隔離、濾波和屏蔽方法，合理選擇濾波電容等手段可以有效地抑制干擾。