解析汽車電子EMC大電流注入測試方法向線束激勵方法的轉變

林焯宏，吳 瓊，翦文斌

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

汽車的電磁環境復雜，為了驗證汽車電子產品實際工作性能的可靠，在零部件測試時需盡可能模擬驗證產品在車載安裝下的電磁環境適應性。隨著汽車工業的發展，大電流注入（BCI）測試的國際標準ISO 11452-4就汽車電子產品車載安裝條件的發展變化，對測試的要求包括線束長度、強度等級均作了相應調整。

近年來射頻技術、通訊技術的發展，使無線通訊的信號頻率越來越高，汽車電子產品的電磁兼容測試亦需覆蓋到更高的頻率范圍。就此，標準ISO 11452-4新增了管狀電磁波耦合器（TWC）方法，以驗證汽車電子產品在高頻范圍的抗干擾能力，并與大電流注入（BCI）方法一起統稱為線束激勵方法。測試頻率范圍從原來最高的400MHz擴大至3GHz，全面考核和驗證汽車電子產品的抗擾性能。

1 大電流注入（BCI）測試的變化

大電流注入（BCI）方法分為替代法和閉環法兩種。在新版ISO 11452-4:2011標準中BCI替代法的布置要求、線束長度、嚴酷等級相對于前一版本有了明顯變化，且補充了關于多分支情況的測試規定；而BCI閉環法的布置要求基本不變，僅嚴酷等級要求做了相應調整，并補充了關于多分支情況的測試規定。新舊版本標準關于大電流注入（BCI）方法的差異細節如表1所示。

1.1 BCI替代法

大電流注入（BCI）方法的基本原理是：通過磁感應耦合的方式，在被測線束中產生騷擾電流，從而驗證待測產品（DUT）對感生電流的抗擾能力。

由于BCI替代法試驗順序是：測試前在校準夾具驗證電流注入探頭所產生的騷擾電流達到要求后，再將電流探頭鉗于待測線束的指定位置，以校準得到的前向功率為準，對DUT施加干擾。測試過程中并不監控注 入電流強度，亦不再調整前向功率。因此，線束的長度、電流注入探頭與DUT的相對距離都會影響騷擾電磁場在被測線束上的耦合程度。

進行BCI替代法測試應盡可能采用產品實際安裝的線束及其長度。為了更好地模擬DUT在實際車載安裝的情形，許多汽車生產廠的企業標準，都根據其汽車自身情況修訂了BCI替代法測試時使用的線束長度。就車載安裝的需要，對線束長度的規定多數為1～2m之間，如通用汽車的GMW3097、福特汽車的EMC-CS-2009等標準。

同樣，國際標準需結合汽車制造企業實際的生產情況，更新BCI替代法待測線束長度的規定：標準ISO 11452-4:2011[3]將原來的1000±100mm，更改為1700（+300 / 0）mm，并規定待測線纜至少有1400mm是沿直線布置的。如此變化的目的是使測試布置更接近于實際安裝情況，并使騷擾信號得到最大程度的耦合，以有效地驗證DUT的抗擾能力。如圖1～4所示。

標準增加了對DUT線束具有多分支情況的要求：若待測線束有多個分支線纜，電流注入探頭需分別鉗于各個分支的線纜單獨進行測試，且要求電流注入探頭與被測線纜外的其他線束垂直距離至少100mm。驗證DUT在各分支線纜受到電磁騷擾情形下的抗擾能力。

針對BCI方法，ISO 11452 - 4:2011修改了前一個版本的嚴酷等級要求，將測試的范圍劃分為1～3MHz、3～200MHz、200～400MHz三個頻段并做出相應調整。根據對車載情況的實際測量，線纜上耦合的感應電流在1～400MHz范圍內呈現低頻段和高頻段較低、中間頻段較高的趨勢，因此嚴酷等級要求在1～3MHz頻段以對數形式上升，3～200MHz保持恒定不變，200～400MHz則以對數形式下降，如圖5所示。其嚴酷等級所列的注入電流值根據實際的測量計算和定義，共四個等級以供選擇，車廠和供應商可根據實際情況決定使用的測試等級，以驗證DUT對各類車載環境的適應性。

表1 大電流注入測試（BCI）差異內容比照

圖1 測試線束長度1000mm布置照

圖2 測試線束長度1700mm布置照

圖3 ISO 11452-4:2011中BCI替代法測試布置俯視圖[3]

圖4 ISO 11452-4:2011中BCI替代法測試布置側視圖[3]

圖5 BCI替代法嚴酷等級[3]

標準對于測試頻率點的偏差做了進一步明確，其允許實際試驗頻率點偏離或改動，但與標準規定的最小步長頻點的偏離不能超過0.5dB。

1.2 BCI閉環法

對BCI閉環法，國際標準ISO 11452-4:2011并未對前一版本的規定有太大修改，原因是BCI閉環法要對測試中的注入電流值進行實時監控。測試過程中可分為兩種情況：1)通過監控的電流探頭，可確定線纜中注入的干擾電流值達到了嚴酷等級要求；2)BCI測試系統的輸出功率不斷增加，但通過監控電流探頭可知，注入到被測線纜的干擾電流值仍達不到嚴酷等級要求，則當系統輸出功率達到預先定義的最大值，即滿足等級要求并以此功率施加干擾。因此，待測線束長度對注入電流的耦合程度的影響就相對較低了，測試布置的規定并未有太大改變。

在試驗的細節上標準作了進一步調整，如試驗線束長度規定為1000（+200 / 0）mm，明確線束長度不能少于1000mm。標準強調了BCI閉環方法需保證待測線纜沿直線布置。

電流注入探頭與電流測量探頭距離DUT接口分別是900±10mm和50±10mm不變。標準加入了對待測線束具有多分支情況的規定：必須將電流注入探頭和電流測量探頭分別鉗于各個分支線纜單獨進行測試，且要求電流注入探頭與被測線纜外的其他線束垂直距離至少100mm。

嚴酷等級要求與BCI替代法相同，將測試范圍劃分為1～3MHz、3～2 00MHz、200～400MHz三個頻段做出相應調整，以驗證DUT對車載環境的適應性。

2 TWC方法

2.1 基本概念

標準ISO 11452-4:2011中新增加TWC測試方法，并定義TWC為管狀電磁波耦合器。TWC方法是利用耦合器將電磁波直接耦合到被測線束的原理實現電磁騷擾環境的模擬，主要針對工作頻率較高的汽車電子產品的抗擾度測試。

2.2 適用范圍

TWC方法主要目的是驗證待測樣品對400MHz以上頻率范圍的抗電磁騷擾能力，特別是頻率高達1GHz以上的范圍，如使用到GSM、UMTS、ISM等信號的產品。由于TWC方法應用的頻率范圍會受耦合器本身的特性所限制， TWC方法的典型應用范圍是：400MHz～3GHz。

由于頻率3GHz的波長為10cm，在實際中，待測樣品DUT長度若小于10cm，或者已有完整屏蔽外殼的，高頻的干擾信號主要是通過其線束耦合，TWC方法最適合用于這種DUT的測試。對于長度大于0.1m且沒有完整屏蔽體的DUT，高頻干擾信號可直接耦合到PCB板的可能性大大增加，則需考慮TWC方法是否適合。

2.3 試驗布置

線束長度的要求類似于BCI替代法，標準ISO 11452-4:2011規定：TWC方法與BCI替代法DUT的待測線束長度都為1700（+300/-0）mm，且必須保證待測線纜至少有1400mm是沿直線布置。

如圖6和圖7，TWC放置在厚度為50±5mm的絕緣支撐墊物上，距離DUT接口為100±10mm，且TWC相連的50Ω電阻應與待測線束保持垂直距離大于200mm。信號發生輸出連接到TWC靠近DUT的接口，另外的接口連接50Ω電阻。

TWC是兩端相通的管狀耦合器，通過轉化信號發生器輸出的信號，在其管道中心產生橫向電磁波TEM，被測線束需穿過此管狀耦合器布置。測試過程中，對DUT產生的電磁干擾主要有兩種：一是，直接通過TWC耦合到待測線纜的橫向電磁波TEM；二是，由DUT與耦合器之間的測試線纜向外輻射的離散場電磁騷擾。

2.4 測試方法

TWC測試使用替代法進行，以前向功率為參考進行校準和測試。

如圖8所示，在測試之前需對TWC的參數較準：測量TWC放入校準夾具中的插入損耗，其中校準夾具阻抗特性為150Ω，測量步長不能超過ISO 11452-1中所定義的最大步長。校準夾具與校準分析儀間以寬頻帶的50Ω阻抗匹配網絡連接，并對S參數的21S進行測量，計算插入損耗原理公式如下：

其中：

IL為TWC的插入損耗，單位dB；

F為校準夾具的修正參數，單位dB；

其中S21是校準網絡的傳輸系數，計算原理如圖9所示：

定義b1=S11a1+S12a2以及b2=S21a1+S22a2，當a2為校準夾具測量端時，則a2=0，得到：b1=S11a1和b2=S21a1，其中S11為反射系數，S21即是校準網絡的傳輸參數。

校準確認后，根據校準的插入損耗和等級要求，計算測試所需要的前向功率：

其中：

圖6 ISO 11452-4:2011中TWC方法測試布置俯視圖[3]

圖7 ISO 11452-4:2011中TWC方法測試布置側視圖[3]

圖8 TWC方法校準布置圖[3]

圖9 校準網絡傳輸參數定義[1]

Ptest為測試計劃要求的測試功率，單位dBm；

Pforward為前向功率，單位dBm；

IL為TWC的插入損耗，單位dB；

以前向功率為準，對DUT施加電磁干擾，進行抗擾度測試。

2.5 等級要求

TWC方法的嚴酷等級將整體頻率范圍分成3段，并分別在400～1000MHz和1000～2000MHz頻段對數下降，2000～3000MHz頻段為恒定值。

TWC方法的信號調制方式依照ISO 11452-1規定，其試驗頻段較寬，從400～3000MHz，因此在800MHz以下頻段應使用CW和AM調制方式，800MHz以上頻段則使用CW和PM調制方式進行試驗。

DUT的功能等級判定依據ISO 11452-1的FPSC規定，將DUT功能狀態分為A、B、C、D、E五個等級，具體的DUT功能要求需要汽車生產廠與零部件供應商共同協商決定。

3 總結

通過ISO 11452-4:2011的研究發現，其最大變化在汽車電子產品的抗擾度測試實現了從大電流注入（BCI）方法向線束激勵方法的轉變。新標準更能切合汽車生產的實際情況，更具有真實性和歸一性。BCI替代法的待測線纜長度更符合實際情況，且增加了多分支DUT線纜情況的測試要求，針對各個測試頻段修改了相應的試驗嚴酷等級，模擬車載環境中較真實、最嚴酷的條件。標準擴展了高頻部分測試要求，提出了TWC測試方法，并給出TWC方法的具體細節和規定，有效保證了汽車電子產業在高頻電磁性能的要求。

[1] ISO 11452-1:2005, Rod vehicles-component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 1: General principles and terminology[S].

[2] ISO 11452-4:2005, Road vehicles-component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 4: Bulk current injection (BCI)[S].

[3] ISO 11452-4:2011, Road vehicles-component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 4: Bulk current injection (BCI)[S].