汽車電動尾門控制器EMI測試與設計優化研究

李懷友

摘 要：本文研究了某型汽車電動尾門控制器可能的電磁干擾源與針對EMI（電磁干擾）測試的設計方案，分析CE（傳導發射）與RE（輻射發射）測試過程中出現測試超標頻段與導致測試超標的原因，并提出了針對此次測試失效的控制器設計優化整改方案。對設計優化后的控制器樣件再次進行EMI測試，測試結果表明，設計優化后的樣件完全滿足整車廠對電動尾門控制器CE測試與RE測試在各頻段的限值要求。

關鍵詞：電磁兼容性EMC;電磁干擾EMI;傳導發射CE;輻射發射RE

1 引言

隨著汽車工業的發展與進步以及人們對汽車追求的不斷提高，汽車上為了增加汽車的控制便利性與舒適性的電子設備越來越多，使得車內外的電磁環境越來越復雜。在這復雜的電磁環境中如何減少電子設備相互間的電磁騷擾，如何使各電子設備安全可靠地工作成為了一項重要研究課題，于是一門新興的綜合性學科誕生了——EMC（電磁兼容性）。

電磁兼容主要研究的是如何使在同一電磁環境下工作的各種電氣電子設備和元器件都能正常工作，互不干擾，達到兼容狀態。以保證電子設備不受電磁騷擾的影響而出現故障或性能降級。如何在設備與電磁環境之間尋求一種協調的關系和共存的條件，這就是電磁兼容性技術。它包括兩個方面的內容：1）EMI，指電子設備本身對其它電子設備的干擾;2）EMS，指電子設備自身抗外界電磁干擾的能力。干擾源、耦合通道與敏感設備是EMC的三要素，要提高汽車電子產品的EMC性能就需要從這三個方面入手。

本文基于標準EQC-1204規定的測試方法與限制要求，研究某型汽車電動尾門控制器的EMI（電磁干擾）測試設計方案，分析CE（傳導發射）與RE（輻射發射）測試過程中出現測試超標頻段與導致測試超標的原因，并提出了針對此次測試失效的控制器設計優化整改方案，并對整改結果進行測試驗證。

2 汽車電動尾門控制器硬件原理與可能干擾源分析

汽車電動尾門控制器負責執行控制汽車尾門的電動開啟與關閉動作，其所帶負載有四個：1）撐桿電機，尾門開啟與關閉動作的執行部件，其運行過程中可以調速，控制器輸出PWM驅動波形對其進行控制;2）卷緊條電機，尾門執行關閉動作時負責通過卷緊條把尾門拉到位關嚴然后再釋放卷緊條，其運行過程中不需要調速，控制器輸出12V的直流波形對其進行控制;3）尾門鎖塊，尾門解鎖與上鎖的執行部件，上鎖時控制器輸出12V的高電平對其進行控制;4）告警蜂鳴器，尾門執行開啟與關閉動作過程中鳴笛告警，其工作時控制器輸出固定頻率固定占空比的PWM波形對其進行驅動。尾門控制器硬件電路可以分為以下幾個部分：1）電源進線及濾波電路;2）LDO5V與CAN接口電路;3）MCU及其外圍電路;4）數字開關量與模擬信號采集電路;5）撐桿電機、卷緊電機與鎖塊驅動電路;6）蜂鳴器驅動電路。

縱觀控制器的整個原理圖我們可以發現，在芯片及關鍵元器件的選型上我們都嚴格遵守EMC設計準則，例如有源芯片的選型在滿足功能的前提下優先選擇低電壓、低電流、低頻率、低變化速率的器件，因此芯片應該不會對EMI測試造成困擾。在控制器整個硬件系統可能會成為對EMI測試結果有影響的干擾源有以下幾處：1）MCU的晶振信號，高速的正弦波信號，頻率8MHz，小功率信號;2）蜂鳴器驅動信號，頻率為2KHz的PWM波信號，小電流信號;3）CAN總線信號，頻率為500KHz，高速數字信號;4）撐桿電機驅動信號，頻率為8KHz的PWM波，驅動電流可達15A的大電流信號。

3 汽車電動尾門控制器EMI測試超標分析

標準EQC-1204中對CE（傳導發射）要求如下：1）測試程序基于CISPR25標準;2）測試頻帶為100KHz-108MHz;3）對測試結果的要求為在峰值檢測模式和平均值檢測模式下（如沒有特別說明）人工電源網絡終端的測量值不應當超過表1中所示下列值（必須滿足峰值要求和平均值要求）：

CE測試結果顯示在100KHz-700KHz頻帶均值超標，最高超了10 dBμV。在100KHz-700KHz頻段出現的騷擾信號主要是差模干擾，在排查時發現其它幾處的疑似干擾源信號的有無對測試結果沒有什么影響，唯獨當有撐桿電機驅動信號輸出時測試超標現象就重現，而當沒有撐桿電機驅動信號輸出時測試超標現象就消失，測試結果與背景噪聲差不多。由以上分析可以確認造成CE測試超標的干擾源為撐桿電機驅動信號。

標準EQC-1204中對RE（輻射發射）要求如下：1）測試程序基于CISPR 25標準;2）測試頻帶為100kHz-2.5GHz;3）對測試結果的要求為在峰值檢測模式和平均值檢測模式（如果沒有特殊說明）的測量值不應當超過表2中所示下列水平（峰值要求與平均值要求兩者都要求滿足）：

RE測試結果顯示在100KHz-2MHz頻帶均值超標，最高超了10 dBμV。在100KHz-2MHz頻段出現的騷擾信號主要是差模干擾信號，在排查時發現其它幾處的疑似干擾源信號的有無對測試結果沒有什么影響，唯獨當有撐桿電機驅動信號輸出時測試超標現象就重現，而當沒有撐桿電機驅動信號輸出時測試超標現象就消失，測試結果與背景噪聲差不多。由以上分析可以確認造成CE測試超標的干擾源為撐桿電機驅動信號。

4 控制器EMC設計優化與測試驗證

經過上述測試分析得知，造成控制器CE測試與RE測試超標的禍首是撐桿電機驅動信號產生的噪聲干擾。由于前期為了控制器的設計成本控制器的撐桿電機驅動端口與控制器電源端口僅做了簡單的濾波處理，故無法達到遏制騷擾噪聲的目的（見圖1、圖2、圖3與圖4）。

為此本人從減小干擾源發射強度與切斷干擾源的傳播途徑兩個方面提出了以下幾個設計優化措施：1）優化撐桿電機驅動電路設計，特別是驅動MOS管周圍電路的設計。例如在滿足MOS功耗溫升允許的范圍內適當增大MOS柵極電阻的阻值以此來減小MOS管導通速度，減小PWM波形上升沿的過沖，進而減小PWM波產生的諧波干擾噪聲;2）優化PCB層疊設計，建議PCB的層疊設計改為第一層（TOP層）為信號層、第二層（Inner_1層）為地GND層、第三層（Inner_2）為信號層、第四層（Inner_3層）為電源POWER層、第五層（Inner_4層）為地GND層與第六層（Bottom層）為信號層，這樣有助電源層和地線層緊密耦合減少板子對外界的輻射干擾。另外，每個信號層都與內電層直接相鄰，與其他信號層均有有效的隔離，不易發生串擾;3）TOP層與Bottom層要包地處理，同時電源和GND要注意隔離，可以用殼體地進行隔離;4）電源層也要內縮包地處理，同12V電源系統、每種5V電源系統之間要用GND隔離處理;5）電源線與地線盡可能布寬一些，減小電源回路的布線阻抗;6）優化撐桿電機驅動端口的濾波電路設計，在電機端口電機正負極對地及兩級之間增加陶瓷貼片濾波小電容，改變干擾噪聲信號的回流路徑以減小對外輻射的強度;7）優化控制器電源端口濾波設計，在電源回路中串入差模電容，防止干擾噪聲通過電源線輻射出去。優化設計后的樣件原理圖（見圖5、圖6、圖7與圖8）;8）軟件設計優化，為了減小電機驅動信號對外界的噪聲干擾，在滿足電機驅動的基礎上適當降低電機驅動信號的頻率，頻率建議由目前的20KHz減小到16KHz或者12KHz，并采用擺頻技術使電機驅動信號由固定頻率變為在12KHz至16KHz頻段內按照一定規律周期性來回變化，減弱驅動信號在某一頻點噪聲的強度。

經過優化設計后的樣件控制器樣件再次進行測試，測試結果顯示CE與RE前期測試超標的頻段現在測試在相應頻段的噪聲最大幅值現在都回到了標準EQC-1204要求的限值以下（見圖9、圖10），受測樣件滿足了標準EQC-1204在CE測試與RE測試在各個頻帶的限值要求，順利地通過了EMI測試。說明了優化設計措施有效，樣件的EMI性能優異。

5 結束語

本文對汽車電動尾門控制器的EMI測試與設計優化方案進行了研究，分析了測試超標的原因，提出了設計優化的整改措施，通過測試驗證取得了良好的效果，豐富了汽車電子模塊EMC設計經驗，對其它類似的產品開發設計與EMI測試整改有著重要的借鑒意義。

參考文獻：

[1]鄭軍奇.電子產品設計EMC風險評估[M].北京：電子工業出版社，2008.