汽車共搭鐵阻抗耦合干擾問題排查及設計優化

陳知國，劉兆丹

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

1 故障描述

某自主車型配置頭枕顯示屏，為了避免與前排主機聲音輸出相互“打架”，頭枕顯示屏聲音通過AUX口與前排主機連接，將聲音輸出至整車，乘客可在兩者之間選擇性收聽節目。

將前排主機選擇頭枕顯示屏作為音源輸入模式，在啟動發動機的瞬間，整車揚聲器發出高頻異響，發動機完全啟動后，異響未消除并穩定持續，在這種情況下踩下油門踏板，異響音量及頻率隨著發動機轉速上升而增大。此異響嚴重影響車內環境，容易引起乘客抱怨。

2 排查過程

雖然汽車音響系統出現異響是汽車開發過程中常見的問題現象，但由于車內電磁環境復雜，干擾源不盡相同，排查問題過程也繁簡不一。針對該車型的問題現象，著手從前排主機、汽車電源、音頻線束、汽車揚聲器、頭枕顯示屏等部件一一排查。

1）對同車型其他車輛排查：在不同的時間，不同的環境中，啟動車輛時均可以聽到揚聲器的異響，異響音量無差異，由此可以排除車輛受外界干擾引起的異響，問題出在車輛自身。

2）前排主機的排查：將該問題車前排主機拆下，更換5臺同型號的主機，問題現象一致，排除了前排主機自身問題，非偶發現象。

3）線束的排查：將連接這些零部件的電源線束和音頻線束均改為屏蔽線束，更換線束接插件且改變線束走向，再次確認異響問題無改善，排除了其他線束電磁干擾及電源線束和音頻線束自身的問題。

某車型娛樂系統連接示意圖見圖1。

圖1 某車型娛樂系統連接示意圖

4）頭枕顯示屏排查：更換5臺同型號的頭枕顯示屏，問題現象一致，排除了頭枕顯示屏自身問題。

5）電源排查：找一個獨立的蓄電池，將頭枕顯示屏電源接在該蓄電池上，異響現象消失。經過進一步排查：將頭枕顯示屏電源線束重新接到原車的電源上，把搭鐵點接在車身上不同位置，發現異響雖然沒有消除但出現變化，在搭鐵點接到前排主機的金屬外殼上時，異響音量有所減小。

經過上面幾步的排查，初步確認前排主機與頭枕顯示屏電源共搭鐵及二者的連接方式是導致異響問題的主要原因。

3 原因分析

經過上面幾步的排查，結合查詢相關的資料，初步確認前排主機與頭枕顯示屏電源共搭鐵是導致異響問題的主要原因，為共搭鐵干擾，又稱公共搭鐵阻抗耦合干擾。

在該車型上，頭枕顯示屏與前排主機的電源搭鐵點雖然不在同一個點上，但均為車身，可以視同為共搭鐵。兩個頭枕顯示屏與前排主機構成一個并聯型的搭鐵線系統，如圖2所示。

圖2 并聯型的搭鐵線系統

搭鐵線作為公共的信號回流路徑，理論上應該是沒有阻抗的，但是實際情況并沒有那么理想，因為實際搭鐵線上的電位并不是恒定的，用儀表測量搭鐵線上各點之間的電位，發現搭鐵線上各點的電位相差很大。

人們對搭鐵線電位的理想定義為電路是一個等電位體，而更加符合實際情況的定義是：信號流回源的低阻抗路徑。這個定義可以理解為搭鐵線中電流的流動是搭鐵線電位差產生的原因。因為搭鐵線的阻抗不恒為零，當一個電流通過有限阻抗時，就會產生電壓降。不同信號的回流在搭鐵線上產生的壓降都會成為彼此的干擾，干擾通過公共阻抗產生噪聲電壓，再傳給受干擾的回路，通過公共阻抗耦合的方式就產生了噪聲。示波器抓取的干擾信號波形如圖3所示。

而且在車輛上，電磁環境更加復雜，影響因素也會更多，如果信號的采樣、調理電路，或者PCB設計不夠理想，對于敏感微弱的小信號，就會產生明顯異響。在該車型上，頭枕顯示屏自帶內置功放，前排主機也有內置功放，同時整車還裝有外置功率放大器，即使微弱的噪聲信號，在經過多級放大后，通過揚聲器表現出來就是刺耳的噪聲。

圖3 示波器抓取的干擾信號波形

4 設計優化

從共搭鐵阻抗耦合干擾的機理可知，消除噪聲的方法主要有兩個：一個是采用搭鐵法，另一個是降低公共阻抗。搭鐵法就是將某一個點與另一個等電位點用低電阻導線連接，形成一個共基準電位。而降低公共阻抗就是減小共搭鐵環路中的電流，可以通過使用隔離變壓器、音頻共搭鐵隔離器的方法實現。綜合該車輛的電路環境及系統的連接方式，決定采用在后排顯示屏和主機之間的音頻線束上增加音頻隔離器的方式消除噪聲。音頻隔離器內部電路如圖4所示。

圖4 音頻隔離器內部電路圖

音頻隔離器是工作在音頻范圍的變壓器，主要用于系統間或設備間的音頻信號傳輸，可以完全隔離兩個系統間的電位差，避免由于搭鐵問題造成的交流聲干擾，同時也防止過高的電位差對設備輸入級的損害，實現音頻信號的可靠傳輸。

采用開模塑封的方式，將音頻隔離器和音頻線束做成一體，減少了接插件，便于安裝，使音源與隔離器輸入端獨自形成環路，經過驗證，優化措施切實有效，實現如下目的。

1）凈化音頻信號傳輸，確保不會發生因線長產生的干擾噪聲。

2）消除因電位差造成的干擾噪聲。

3）解決系統阻抗匹配問題。

音頻線束塑封隔離器結構示意圖見圖5。

圖5 音頻線束塑封隔離器結構示意圖

5 總結

在錯綜復雜的汽車電路環境中，干擾源和干擾受體之間耦合是眾多噪聲產生的主要因素之一，降低干擾源耦合程度對于增強電路的可靠性，提高整個電子電路系統的性能以及提升整車舒適性具有重要意義［1］，本文結合實車電路設計優化方案，從問題排查、原因分析、設計改進等步驟驗證了汽車共搭鐵阻抗耦合干擾的有效解決方法，為電路設計提供了參考。