車輛電子電器的電磁兼容性測試與抑制方法的研究

丁亞平　劉方磊　張胤　白雪強

摘 要：隨著越來越多的車載電子電器設備的開發和使用，使得車輛電磁兼容問題越來越突出。本文從車輛電子電器設備電磁兼容測試中常見的問題出發，指出減小導線串擾、優化電路、采用屏蔽和濾波等技術能夠有效地改善部件電磁兼容性，為汽車電子電器系統電磁兼容設計提供參考。

關鍵詞：電磁兼容性；騷擾；濾波

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）06-0023-05

Abstract： With more and more electrical and electronic devices are opened up and applied to automobile， the problems of automobile's Electro-Magnetic Compatibility become more and more prominent. Basised on the problems of EMC Tests of these electrical and electronic devices， this article find some ways to improve the Electro-Magnetic Compatibility of automobile's electrical and electronic devices. These methods and experiments that iclude reducing wire interference， optimizing circuit， using shielding and filtering technology， can be useful in the research on the Electro-Magnetic Compatibility for automotive motors.

Key Words： Electro-Magnetic Compatibility； Interference； Filtering

1 引言

隨著電子通信技術的不斷發展，車載電子電器設備種類和數量越來越多樣化、復雜化，各種車載電子電器設備的密集度、集成度越來越高，車輛內外的電磁環境也變得越來越復雜。由此常常造成車輛電子設備的性能降低、失效不能工作、誤動作甚至損壞等，既影響了廣大車主的用車體驗還給人們行車安全帶來了嚴重危害。因此，現今汽車電磁兼容技術變得越發重要，已成為汽車開發、設計過程中不可忽視的重要部分。

2 車輛電子電器的電磁兼容問題及案例分析

電磁兼容性（EMC，Electro-Magnetic Compatibility）

是指在同一電磁環境中設備能不因其他設備的干擾影響其正常工作，同時也不對該環境中其它設備產生影響其工作的電磁干擾。顧名思義，電磁兼容就包含著兩方面要求，其一就是同一臺設備自身產生的電磁場應當保持在不產生干擾的最低水平；其二是抗干擾，即設備暴露在外部磁場中能夠持續可靠工作的能力。現在隨著國內外對汽車電磁兼容問題的重視程度提高，針對汽車類電子電器部件的相應標準法規也越來越多，這就對產品提出了更高的要求。現階段，國內汽車電子電器部件電磁兼容性測試的主要項目有輻射發射、傳導發射、瞬態傳導發射、瞬態傳導抗擾度、自由場抗擾度、大電流注入抗擾度和靜電放電抗擾度測試等。以下我們就從這幾方面談一談汽車電子電器的電磁兼容測試技術與抑制方法的一些案例研究。

結合一些常引用的標準法規，我們選取一些平時測試中的車載電子電器系統、組合儀表和一些配電控制模塊進行測試，對比分析這些部件的傳導騷擾、輻射騷擾、自由場抗擾度的測試結果，結合參照相關標準的限值和要求，反復整改、驗證所得的一些經驗。

2.1 輻射發射

汽車零部件的輻射發射主要是線束上的輻射，通電的導線和線纜可視為等效天線，因此車載電子設備的線束上的輻射騷擾較為嚴重，再者一般線束中導線間距離通常過近，導線之間會產生一定的寄生電容、電感，這些也都是導致輻射騷擾過高的原因。

首先在這里我們分析下共模發射和差模發射對抑制輻射騷擾電平是很有必要的。通常我們把線地之間的發射定義為共模發射，線線對外的發射定義為差模發射。其原理如下圖1所示：

我們在平時的測試中發現，對于電路中輻射發射而言，共模電流引起的輻射相對差模電流引起的輻射來說要更嚴重。較小的共模電流能夠產生較強的共模輻射，而且很多因素都能產生共模電流，很小的共模電流能與很大的差模電流產生同等的輻射發射強度。因此我們得出汽車零部件產品減少輻射發射的一些解決方法：

1.減小零部件及模塊的共模信號回路路徑。但此部分通常受限于廠商出廠產品固化限制，很難去拆分較小的控制電路模塊，在實際解決方案中很少采用。

2.加大共模阻抗，減小噪聲電流。此方法一般采用濾波、隔離及阻抗匹配等措施，相對于電路而言比較容易實現，所以平時整改經常采用。

3.減小共模電壓。常用的途徑就是改善接地設計。

下面主要介紹第二種方案，采用濾波電路來加大共模阻抗、減小噪聲電流從而降低輻射發射的一個案例。在電源線端做好濾波措施，針對不同的輻射發射超標頻點選擇合適的濾波電感和電容，能很好的抑制電源線輻射超標問題，常見的濾波電路如圖2所示：

濾波電路中采用的電感分為差模電感和共模電感，分別抑制差模噪聲和共模噪聲，差模電感感量在μH級，抑制的頻率在10MHz以下，共模電感感量在mH級，抑制的頻率一般在10MHz以上，針對不同頻點選擇合適的電感。而電容的類型很多，不同類型在相同的容值下對高低頻的抑制能力不同，如無感瓷片電容對高頻抑制效果好，電解電容對低頻抑制效果好。endprint

下面引用我們試驗中的某廠商的一個雨刮電機總成輻射發射整改方案的例子：

下圖3左為GB/T 18655-2010輻射騷擾測試曲線圖，產品在試驗中在142MHz--245MHz頻段幾乎全頻段超標，我們通過分析得知輻射是通過電源正負線輻射出來的。根據相關理論知識選擇合適的電感和電容對電源線進行了處理，具體濾波電路如圖2，輸入端我們采用2個電容相并聯，即一個容值較大的電解電容與一個容值較小的無感瓷片電容相并聯。無感瓷片電容的分布電感很小，截止頻率較高，適用于高頻濾波。由于無感瓷片電容的容值較低，要穩定電路中的輸出電壓，必須并聯一個容值較大的電解電容。圖3右為整改后的曲線，超標頻點下降10-20dB左右，滿足3級限值要求。

2.2 傳導發射

傳導發射是指一個或多個導體（如：電源線、信號線、控制線等）傳導電磁噪聲能量的過程。汽車零部件的傳導發射主要是由線束上的各種途徑的耦合而來。我們知道，車載部件的傳導發射頻率一般從幾千赫茲到1G赫茲以上，在高頻時由于傳導損耗會使傳導電流大大衰減。因此，在低頻范圍內，傳導發射是電磁干擾的主要形式。如設計上不采取相應抑制措施，很多汽車零部件的傳導發射都會超標，這樣就嚴重威脅了車輛其他電子設備的正常工作。

傳導發射只有在具有騷擾源、傳輸途徑、敏感設備三大要素時才會產生。所以相應的抑制措施也是針對這三大要素來制定。在對騷擾源的處理上，一般車載的電動機、轉換器、螺線管、繼電器等，這些裝置設備會把騷擾引入電源線和信號線中，所以我們采用一些整流、濾波電路就能很好地抑制這些騷擾。在切斷傳輸途徑上，地線干擾會造成各電子器件之間的傳導耦合，所以減小地線、電源回線的阻抗、正確選擇接地方式都可以減小地線干擾。在對敏感設備的處理上，應當考慮讓車載部件對于干擾信號不易敏感，所以在電路上的信號電平和阻抗大小與電路所用器件必須相適應。

下面引用我們試驗中的某廠商的一個閃光繼電器傳導發射超標解決方案的例子：

該樣件的傳導發射試驗時在30MHz到108MHz有頻點超過限值線。經分析后得知在電源線上傳導騷擾較大。閃光繼電器是通過控制繼電器開關不停斷開閉合來工作，會通過電源線對外形成傳導騷擾。我們發現在對源頭的開關處并上1uF的電容只會對低頻騷擾有明顯的抑制，在高頻處并無明顯作用。但干擾源頭我們鎖定是開關動作無疑，這說明單對開關處的濾波措施并不足夠。最后我們在電路正負極之間加一個簡單的一級濾波電路來進行寬頻濾波，所選的電容為100uF的電解電容，整改后傳導騷擾滿足限值的要求，試驗曲線如下圖4所示：

從原理上來講，傳導騷擾的耦合是一種互阻抗耦合或互導納耦合，傳導耦合途徑要求在干擾源和敏感設備之間有完整的電路連接。濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施，濾波電路的種類有很多，根據電路的特點選用和設計合適的濾波電路是電磁兼容電路設計重要課題。

2.3 射頻場抗擾度

射頻場抗擾度測試一般采用的是大電流注入法和電波暗室法（也稱自由場法）。大電流注入法是利用電流注入探頭將電流直接感應到線束中對樣品進行抗擾度試驗的一種方法。電波暗室法是在電波暗室中完成的輻射抗擾度測試方法。電波暗室法適用的頻率范圍是80 MHz～18 GHz，我實驗室一般用于400MHz以上頻段的抗擾度測試，測試嚴酷度等級以施加的場強為單位。不同汽車零部件在相同或不同頻段內的抗擾能力不一樣，射頻場抗擾度采用的大電流注入法和電波暗室法原理不同使得其各自適用的頻段也不同，大電流注入法適應于低頻段，而電波暗室法更適用于高頻段。

結合電波暗室法的案例來分析，某款車載儀表產品在做自由場測試時，等級為100V/m的時候出現在一部分頻率范圍內出現“嘯叫”現象，屏幕圖像在400MHz—560MHz頻率范圍內出現“花屏、抖動”現象。標準要求上產品這種情況屬于在施加干擾期間的系統功能下降，無法達到標準要求系統判據“A”的要求。實物如下圖5：

我們針對產品的特性進行分析，施加的干擾進入系統影響功能的途徑主要有以下幾個方面：從外部電源線和音頻線束耦合進入系統、從系統屏蔽搭接不良的外殼縫隙耦合進入系統內部、從顯示屏幕板直接耦合進入系統。

解決這類問題，我們需要從干擾進入系統的各種可能途徑綜合分析，一步步進行排除。對于從外部電源線和音頻線束耦合進入系統的干擾在內部電路板需要增加相應的濾波電路，在較高的頻段出現不符合標準判定要求的，我們要增加磁珠和高頻電容，具體的電容參數選擇需要根據有問題的頻段和頻點靈活選擇。像此儀表屏幕圖像在400MHz—560MHz頻率范圍內出現“花屏、抖動”現象，我們選擇了100pF的高頻電容。此外，對于增加的濾波電路和磁珠我們也要一定程度的屏蔽處理，這樣避免干擾跳過濾波器件直接耦合到次級進入系統。因此我們濾波器件和磁珠都用銅箔紙包起來做了一些簡單的屏蔽。再者，我們在系統屏蔽搭接不良的外殼縫隙也同樣用銅箔紙包起來做好屏蔽，最大程度上避免干擾從系統屏蔽搭接不良的外殼縫隙耦合進入系統內部。

2.4 靜電放電

關于對車載電子器件的靜電放電的防護，我們從靜電放電的條件來看，靜電放電有3個條件，即：一定能量的靜電荷，一定的距離，放電導體。所以針對ESD問題通常我們采取隔離和加保護電路的措施，下面結合一些實例講解實用措施。

結合靜電放電的案例來分析，某款車載儀表在做靜電放電測試時，等級為15 kV的空氣放電時候出現“花屏”現象，無法達到標準要求系統判據“A”的要求，實物如下圖6：

解決這類問題，我們需要從干擾進入系統的各種可能途徑綜合分析排查。

1.隔離，切斷傳輸路徑。

經驗認為，每千伏的靜電電壓擊穿距離在1mm左右，因此一些電路板，走線離開易放電的邊緣8-10mm就可以抵抗8kV左右的靜電電壓，最關鍵的ESD敏感器件一定要布局在板子中央。

2.關鍵管腳加保護器件

ESD敏感器件的某些管引腳或者信號進出的接口容易被靜電擊穿，通常的做法是在靠近此器件相應管腳處安裝合適的穩壓二極管，利用二極管的雪崩效應和鉗位特性，保護相應的ESD敏感管腳。

3. 電源濾波

實驗證明，靜電放電引起的干擾脈沖是按指數規律衰減的電磁波，含有豐富的高頻分量，因此應對電源進線進行濾波。信號線路上有選擇的添加一些合適的電容或串聯合適的電阻。

3 結語

車輛電子電器系統是一個復雜的巨大系統，各類電氣設備設備布局設計也是一個復雜的過程，而實際的電磁兼容問題將更加復雜。通過前面的方法雖然可以對車內的設備布局進行優化設計，但是汽車的電磁兼容問題無論通過何種方法，都必須落實到實際當中去。要保證良好的電磁兼容性能，必須首先要做好每個車輛部件的電磁兼容問題，再來考究電子電器系統電磁兼容的總體設計，加強系統性和規范性設計，才能保證整車電磁兼容性達到技術要求，實現整車安全。

參考文獻：

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