車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中電磁干擾問題分析與優(yōu)化

李靜元，王佳，張珂

（陜西師范大學(xué)信息化建設(shè)與管理處，陜西西安 710119）

為推動(dòng)新能源汽車高質(zhì)量、可持續(xù)性發(fā)展，2020年11 月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》加快建設(shè)汽車強(qiáng)國的任務(wù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等信息化技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，承載汽車通信和影音娛樂的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)TBOX（Telematics BOX）產(chǎn)品顯得越來越重要，車載TBOX 和普通消費(fèi)電子產(chǎn)品最大的區(qū)別是工作環(huán)境要求較高，車載TBOX 的電子元器件選型設(shè)計(jì)和抗干擾性能都要符合汽車行業(yè)的車規(guī)級(jí)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。

車載TBOX 可以完成車輛注冊(cè)接入互聯(lián)網(wǎng)，并通過CAN 總線讀取車輛狀態(tài)信息發(fā)送給云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)指令、信息的傳遞和實(shí)時(shí)播放互聯(lián)網(wǎng)的音視頻資源，在車輛的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程查詢和安防方面具有廣泛的應(yīng)用[4]。車載TBOX 和汽車其他設(shè)備相比，具有功能多、功率大和交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，其電磁兼容性測試具有很大的挑戰(zhàn)。文中介紹了車載TBOX 的系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)測試場景方案，按照車規(guī)級(jí)CE 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMI 測試，結(jié)合原理圖對(duì)測試不合格項(xiàng)進(jìn)行分析，通過研究電磁干擾的特性，提出有效降低電磁干擾的優(yōu)化措施[5-6]。研究內(nèi)容對(duì)車載通信設(shè)備的電磁兼容性優(yōu)化和車聯(lián)網(wǎng)的信息化發(fā)展具有重要意義。

1 車載TBOX系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)

車載TBOX 系統(tǒng)主要用于車輛狀態(tài)信息顯示和車內(nèi)的影音娛樂，通過CAN 總線讀取車輛的狀態(tài)信息，經(jīng)過GSM 和GPRS 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)上傳和交互過程。

車載TBOX 系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，主要包括電源管理芯片、基帶模塊、射頻模塊、語音模塊和MCU 模塊。電源管理芯片提供系統(tǒng)各電路模塊正常工作所需的電壓，確保工作電流和電壓穩(wěn)定可靠；基帶模塊和射頻模塊所需電源為3.3 V，主要完成信號(hào)調(diào)制解調(diào)以及GSM 通話和GPRS 數(shù)據(jù)交互；語音模塊所需電源為3.3 V，完成車載影音娛樂的音視頻播放，輸入車機(jī)的麥克風(fēng)，輸出揚(yáng)聲器到車輛音響功放；MCU模塊所需電源電壓為5 V，通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)和車機(jī)其他部件的數(shù)據(jù)通信；TBOX 連接器用于連接車輛的揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和蓄電池等其他部件，是電磁兼容性測試外部干擾源輸入的主要途徑[7-9]。

圖1 車載TBOX系統(tǒng)架構(gòu)

車載TBOX 的電磁干擾傳播途徑主要有以下三個(gè)方面。

1）輻射干擾：包括語音模塊的揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)產(chǎn)生的輻射干擾，射頻模塊功放對(duì)外的輻射干擾。

2）傳導(dǎo)干擾：包括車機(jī)揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)通過連接器輸入的傳導(dǎo)干擾，以及電源模塊對(duì)外產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。

3）線間串?dāng)_：語音信號(hào)線Audio_L 和Audio_R 的相互干擾。

車載TBOX 的原理圖設(shè)計(jì)如圖2 所示，電源管理芯片供電來自蓄電池，通過內(nèi)部DC-DC 降壓電路和LDO 輸出V1_3.3 V 和5 V 電壓V2，基帶芯片的GPIO作為中斷控制，I2C 信號(hào)用于控制語音芯片的輸出狀態(tài)，MCU 實(shí)現(xiàn)CAN 總線的通信相關(guān)功能[10-11]。

圖2 車載TBOX原理圖設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)測試方案

車載TBOX 設(shè)備的EMC 測試需要滿足CE 認(rèn)證的EN55032 標(biāo)準(zhǔn)中B 類排放要求，通過40PIN 車載連接器和車機(jī)其他部件相互通信，電磁干擾測試需考慮TBOX 工作時(shí)產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，這些干擾源會(huì)影響車機(jī)的工作狀態(tài)[12]。

測試方案將樣機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范放置到屏蔽的暗室里，在外邊使用綜測儀CMW500 通過饋點(diǎn)連接設(shè)備天線，保持設(shè)備工作在GSM 頻段下，用測試板下載程序模擬汽車CAN 總線的正常收發(fā)數(shù)據(jù)，打開車載TBOX 的語音功能并播放1 kHz 的音頻[13-14]。

將綜測儀CMW500 連接TBOX 的天線饋點(diǎn)后通過軟件調(diào)制和解調(diào)射頻部分來模擬車載設(shè)備工作場景。根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)EN55032 中的要求，測試需要滿足表1 中的性能指標(biāo)，測試項(xiàng)RE 為輻射干擾，CE 為傳導(dǎo)干擾。CE 測試使用50 mm 電流探頭，采用電流法預(yù)掃描的方法分別測試廣播業(yè)務(wù)和移動(dòng)業(yè)務(wù)頻段下指標(biāo)。

表1 車載測試指標(biāo)要求

3 測試結(jié)果分析

按照上文中的方案在實(shí)驗(yàn)室測試電磁干擾的RE和CE 項(xiàng)，CE 測試結(jié)果滿足要求，而RE 在30 MHz～1 GHz 測試范圍內(nèi)有兩個(gè)頻點(diǎn)超標(biāo)，如表2 所示，在頻點(diǎn)40.38 MHz 超出8.6 dBuV，在122.7 MHz 超出7.11 dBuV，電磁輻射超標(biāo)會(huì)影響車機(jī)的其他部件正常工作，對(duì)整車EMC 測試造成困難。

表2 RE不合格的測試結(jié)果

根據(jù)表2 可以看出，主RE 超標(biāo)的主要頻點(diǎn)為40.38 MHz 和122.7 MHz，考慮到語音芯片SGTL5000的輸入主時(shí)鐘SYS_MCLK 為12.28 MHz 的晶振，通過芯片內(nèi)部鎖相環(huán)PLL 分頻后提供語音時(shí)鐘、I2C 和I2S的時(shí)鐘，結(jié)合電源管理芯片UJA113X 的DC-DC 開關(guān)頻率判斷電磁干擾的騷擾源應(yīng)該來自這兩部分。語音芯片的鎖相環(huán)PLL 倍頻工作機(jī)制如圖3 所示。

圖3 語音芯片PLL工作機(jī)制

語音芯片的時(shí)鐘輸入SYS_MCLK 為12.28 MHz，采樣頻率為44.1 kHz，PLL 通過配置CHIP_PLL_CTRL 中的INT_DIVISO 和FRAC_DIVISOR 寄存器以及CHIP_CLK_TOP_CTRL 中的INPUT_FREQ_DIV2來完成內(nèi)部時(shí)鐘倍頻：

車載TBOX 的語音系統(tǒng)輸入電壓為3.3 V，由電源管理芯片內(nèi)部DC-DC 后輸出提供，VDDA 主要供電內(nèi)部ADC 和DAC 等單元，VDDIO 供電內(nèi)部I/O 等數(shù)字電路。DC-DC 相比LDO，騷擾噪聲更加明顯，所以針對(duì)車載系統(tǒng)電磁干擾超標(biāo)問題，主要關(guān)注自身的DC-DC 電源、語音芯片和48PIN 車載連接器引入的外部噪聲。

4 電磁兼容性優(yōu)化

4.1 電源優(yōu)化

電源管理芯片選擇的NXP 公司的UJA113X 系列，EMC 已做過優(yōu)化，通過40PIN 連接器的KL_12V信號(hào)供電TBOX[15-17]，電源管理芯片內(nèi)部經(jīng)過DC-DC降壓并輸出兩個(gè)LDO 用于TBOX 的語音模塊、基帶模塊和射頻模塊的取電。如圖4 所示，在電源輸入VBAT 處串聯(lián)磁珠和TVS 二極管分別用于EMC 濾波和ESD 靜電防護(hù)，對(duì)地增加220 μF、47 μF 大電容和0.4 μF、0.1 μF 小電容，用于提高濾波頻段，為40～130 MHz 的高頻噪聲提供對(duì)地通路，在PCB 布局中電容盡量靠近芯片的BAT 引腳擺放，兩個(gè)LDO 輸出也增加了旁路電容，用以減少電源噪聲。

圖4 電源管理芯片濾波優(yōu)化

4.2 語音優(yōu)化

語音芯片噪聲源主要是輸出的揚(yáng)聲器和內(nèi)部PLL 生成的時(shí)鐘，外部輸入12.28 MHz 的SYS_MCLK主時(shí)鐘后，經(jīng)過內(nèi)部PLL 分頻給內(nèi)部ADC 和DCA 電路使用，實(shí)測中發(fā)現(xiàn)關(guān)閉語音功能后，RE 測試指標(biāo)性能得到提升，所以對(duì)語音信號(hào)的電磁兼容優(yōu)化非常關(guān)鍵。如圖5 所示，在輸出的語音信號(hào)Audio_L 和Audio_R 中添加濾波器和三個(gè)33 pF 的小電容，組成π型RC 濾波電路，利用電容的“隔直通交”特性消除語音電路的傳導(dǎo)輻射。

圖5 語音部分濾波優(yōu)化

4.3 I/O接口和CAN總線優(yōu)化

40PIN 連接器是TBOX 和車機(jī)通信的接口，是外部車機(jī)干擾源和自身傳導(dǎo)輻射的主要途徑。如圖6所示，在蓄電池信號(hào)KL_12V 附近串聯(lián)330 Ω的磁珠和并聯(lián)對(duì)地的去耦電容濾掉信號(hào)的傳導(dǎo)噪聲，在Audio_L 和Audio_R 靠近連接器處分別串聯(lián)在40 MHz 頻點(diǎn)附近濾波效果好的磁珠，抑制傳導(dǎo)干擾的輻射。

在PCB 布線中，濾波器件需要靠近對(duì)應(yīng)引腳，并做好敏感信號(hào)Audio_L 和Audio_R 的包地處理，以及電源KLV_12V 的打地孔信號(hào)回流，做好隔離保護(hù)措施。

車載TBOX 和汽車主機(jī)通信協(xié)議為CAN 總線，可讀取汽車的實(shí)時(shí)狀態(tài)和執(zhí)行指令。對(duì)于CAN 總線的EMC 問題分析，選擇性能較好的共模電感，既可以濾除來自外部的共模干擾，也可以抑制自身對(duì)外發(fā)送的傳導(dǎo)噪聲。如圖6 所示，在MCU 的電源輸入端加0.1 μF 的濾波電容，用于消除高頻噪聲，CAN_H 和CAN_L 輸出經(jīng)過共模電感對(duì)電磁干擾信號(hào)進(jìn)行有效抑制。

圖6 連接器I/O接口和CAN總線濾波

4.4 優(yōu)化后復(fù)測

經(jīng)過以上優(yōu)化措施后，復(fù)測RE 在頻率30 MHz～1 GHz 的測試值，已經(jīng)可以滿足車載標(biāo)準(zhǔn)EN55032中的指標(biāo)限值要求，頻點(diǎn)在45 MHz 時(shí)值為32.014 dBuV，已留有8 dBuV 的裕度范圍，同時(shí)復(fù)測了廣播業(yè)務(wù)和移動(dòng)業(yè)務(wù)下的CE 項(xiàng)和ALSE 等，EMC 兼容性測試均可通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，證明優(yōu)化措施沒有帶來新的EMC 測試問題。

5 結(jié)束語

通過對(duì)車載TBOX 的電磁干擾測試項(xiàng)RE 超標(biāo)問題進(jìn)行分析，找出干擾源的傳播途徑，并結(jié)合原理圖設(shè)計(jì)和PCB 布局給出改進(jìn)方案，針對(duì)電源管理、語音模擬信號(hào)和CAN 總線部分設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)復(fù)測EMC 相關(guān)測試項(xiàng)，驗(yàn)證了優(yōu)化措施的有效性，最終滿足車載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中電磁兼容的指標(biāo)要求。