重型車輛快插式濾波器設計

林 森，雒 拓，尹 航，周元豪

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型車輛在電控化的發(fā)展過程中涌現(xiàn)出多種類型的電子設備，然而車輛類產(chǎn)品電磁兼容設計發(fā)展緩慢，導致這些電子設備在定型時未考慮電磁兼容性，組裝成系統(tǒng)后與其它電子設備產(chǎn)生不兼容現(xiàn)象，尤其在高壓電驅(qū)動的車輛上尤為突出。重型車輛各類控制器分布位置分散，使用線束較長（2~10m以上），線束長度與控制器工作頻率可以比擬，成為了一些信號的發(fā)射天線，對外產(chǎn)生輻射。由于車輛電器件布置關系，車輛一旦裝好，整改難度將成倍增加。

汽車電子設備的電路功能趨于復雜，PCB上元器件的布置密集緊湊，接口部分既有模擬信號又有數(shù)字信號，在設計階段如果對EMC考慮不足，將導致輻射能量從接口通過線纜發(fā)射到空間中，引起輻射發(fā)射試驗項目不能通過。圖1是控制器結構示例，如果接口濾波電路在設計時沒有被考慮，處于缺失狀態(tài)，將導致PCB上信號線產(chǎn)生的輻射通過PCB信號線→連接器→線纜輻射到外部空間。

圖1 電子控制器結構圖

基于以上分析，從電磁干擾的3要素（干擾源、干擾途徑和敏感設備）進行分析，從干擾源（電子控制器）進行電磁波的抑制是解決問題的最有效手段。如圖1所示，如果控制器設計有接口濾波電路，將減少PCB信號線→連接器→線纜輻射的能量，同時遏制外部干擾信號通過線纜→連接器→PCB信號線方向的傳遞，減少對PCB內(nèi)部電路工作的影響。車輛使用的電子設備基本為外購件，這些設備在功能和應用上也趨于成熟，但是由于未考慮電磁兼容設計，導致這些電子設備功能強大，但電磁性能較差，在整車進行電磁兼容試驗時，輻射發(fā)射不能通過，抗擾性較差，達不到國家標準相關要求。如果在已裝配好的車輛上進行整改，涉及電子模塊拆裝，更換線束，難度都將增大，因此預留快插式濾波器是整車設計時的必要手段。

1 車輛電磁兼容標準要求

面對日益復雜的電磁環(huán)境，國內(nèi)外均制定了電磁兼容標準對車輛和零部件進行合格性判定。中國在軍用和民用領域也制定了相關標準對發(fā)射和抗擾進行控制。表1為整車及電子部件法規(guī)要求。

表1 車輛及電子部件法規(guī)標準

從車輛和電子部件國家標準中可以看出，標準對整車和電子部件設有發(fā)射和抗擾性指標，因此在整車和電子部件設計時應同時考慮發(fā)射和抗擾性。

2 快插式濾波器方案設計

2.1 方案概述

通過設計一種快插式濾波器，該濾波器將車輛常用成熟插接件與濾波元件集成化處理，形成一體化濾波插接器，使用時與預留在線束終端的插接器進行快速對插，可并聯(lián)或串聯(lián)于電路中，達到濾波功能?？觳迨綖V波器可制作成電容型、電感型、磁珠型等以滿足不同信號的需求，同時可制作成普通型和防水型用于駕駛室和底盤?？觳迨綖V波器安裝示例如圖2所示。

圖2 快插式濾波器安裝位置

2.2 方案詳細設計

將插接器、濾波元件和封裝材料進行組合，通過對信號引腳參數(shù)進行分析，選用合適的濾波元件，對潛在的干擾頻率進行濾波，達到降低輻射和提高抗擾的能力。表2為濾波器阻抗匹配方法。

表2 車濾波器阻抗匹配方法

圖3為快插式濾波器，圖4為控制器線路預留快插式濾波器對插端示意圖，圖5為控制器安裝完快插式濾波器示意圖。

圖3 快插式濾波器設計圖

圖4 控制器預留快插式濾波器對插端

圖5 安裝完成后的快插式濾波器

2.3 方案效益評估

1）快插式濾波器不影響電路的正常功能，方便拆裝，實現(xiàn)了電器接口的濾波功能，降低信號間的串擾和輻射特性，增強電器之間的相容性。

2）實現(xiàn)了防塵防水設計，可應用于駕駛室和底盤，降低選型和安裝難度。

3 快插式濾波器應用及試驗

3.1 濾波器設計應用

通過對電子控制器接口電路進行分析，查看是否在重要信號線上進行了濾波處理，對已進行濾波的信號，可在接口處預留一種濾波方案，比如電容濾波或磁珠濾波等。如果接口電路未預留任何濾波措施，則接口處應預留較復雜濾波方案，比如Π型濾波、T型濾波。濾波器的選型計算很重要，參數(shù)主要涉及電壓、電流、頻率、溫度、封裝等。濾波電路不能對接口信號品質(zhì)有本質(zhì)影響，應根據(jù)實際接口電路、信號特性進行設計，不能簡單進行復制。以電容為例，理想的電容容量越大，容抗就越小，濾波效果越好，但是電容存在寄生電感，容量大，寄生電感也大，自諧振頻率越低，對高頻噪聲去耦效果越差。圖6為電容頻率阻抗特性曲線，阻抗|Z|與頻率關系見以下公式。

圖6 電容在頻域下的阻抗曲線

在諧振頻率f0上，L和C串聯(lián)將產(chǎn)生振蕩，提供低的阻抗，在諧振點以上的頻率，電容呈現(xiàn)感性，將不再起旁路和去耦的作用。圖7為部分快插式濾波器實物示例，應根據(jù)產(chǎn)品特性對插接器和濾波元件進行選型。

圖7 快插式濾波器示例

3.2 濾波器試驗驗證

圖8為某控制器的輻射發(fā)射試驗照片，試驗中接入功率負載燈具模擬實際使用情況。

圖8 控制器整改對比測試

圖9為輻射發(fā)射10kHz~30MHz測試曲線。由于本控制內(nèi)部接口均有濾波電路，因此試驗時超標問題不嚴重，超標點為電源噪聲引起，見圖9a。對電源線使用快插式濾波器處理后試驗通過，見圖9b曲線所示。

圖9 快插式濾波器整改案例

4 結論

通過使用快插式濾波器解決了車輛電磁兼容整車試驗時不能通過的現(xiàn)象。使用正確的快插式濾波器，彌補了電子模塊內(nèi)部接口電路濾波方案設計的不足，減輕了車輛整改難度和更換線束帶來的成本增加和項目拖期問題，應作為車輛前期開發(fā)時重點設計對象。