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

（陜西師范大學信息化建設與管理處，陜西西安 710119）

為推動新能源汽車高質量、可持續(xù)性發(fā)展，2020年11 月國務院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》加快建設汽車強國的任務。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等信息化技術在汽車產(chǎn)業(yè)的廣泛應用，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計和抗干擾性能都要符合汽車行業(yè)的車規(guī)級認證標準[1-3]。

車載TBOX 可以完成車輛注冊接入互聯(lián)網(wǎng)，并通過CAN 總線讀取車輛狀態(tài)信息發(fā)送給云端服務器，實現(xiàn)指令、信息的傳遞和實時播放互聯(lián)網(wǎng)的音視頻資源，在車輛的遠程控制、遠程查詢和安防方面具有廣泛的應用[4]。車載TBOX 和汽車其他設備相比，具有功能多、功率大和交互性強等特點，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)架構和設計，并設計了系統(tǒng)測試場景方案，按照車規(guī)級CE 認證標準進行EMI 測試，結合原理圖對測試不合格項進行分析，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]。研究內容對車載通信設備的電磁兼容性優(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)架構和設計

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

車載TBOX 系統(tǒng)架構如圖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，主要完成信號調制解調以及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，輸入車機的麥克風，輸出揚聲器到車輛音響功放；MCU模塊所需電源電壓為5 V，通過CAN 總線實現(xiàn)和車機其他部件的數(shù)據(jù)通信；TBOX 連接器用于連接車輛的揚聲器、麥克風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

車載TBOX 的電磁干擾傳播途徑主要有以下三個方面。

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

2）傳導干擾：包括車機揚聲器和麥克風通過連接器輸入的傳導干擾，以及電源模塊對外產(chǎn)生的傳導干擾。

3）線間串擾：語音信號線Audio_L 和Audio_R 的相互干擾。

車載TBOX 的原理圖設計如圖2 所示，電源管理芯片供電來自蓄電池，通過內部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 信號用于控制語音芯片的輸出狀態(tài)，MCU 實現(xiàn)CAN 總線的通信相關功能[10-11]。

圖2 車載TBOX原理圖設計

2 系統(tǒng)測試方案

車載TBOX 設備的EMC 測試需要滿足CE 認證的EN55032 標準中B 類排放要求，通過40PIN 車載連接器和車機其他部件相互通信，電磁干擾測試需考慮TBOX 工作時產(chǎn)生的傳導干擾和輻射干擾，這些干擾源會影響車機的工作狀態(tài)[12]。

測試方案將樣機按照標準規(guī)范放置到屏蔽的暗室里，在外邊使用綜測儀CMW500 通過饋點連接設備天線，保持設備工作在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 的天線饋點后通過軟件調制和解調射頻部分來模擬車載設備工作場景。根據(jù)測試標準EN55032 中的要求，測試需要滿足表1 中的性能指標，測試項RE 為輻射干擾，CE 為傳導干擾。CE 測試使用50 mm 電流探頭，采用電流法預掃描的方法分別測試廣播業(yè)務和移動業(yè)務頻段下指標。

表1 車載測試指標要求

3 測試結果分析

按照上文中的方案在實驗室測試電磁干擾的RE和CE 項，CE 測試結果滿足要求，而RE 在30 MHz～1 GHz 測試范圍內有兩個頻點超標，如表2 所示，在頻點40.38 MHz 超出8.6 dBuV，在122.7 MHz 超出7.11 dBuV，電磁輻射超標會影響車機的其他部件正常工作，對整車EMC 測試造成困難。

表2 RE不合格的測試結果

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

圖3 語音芯片PLL工作機制

語音芯片的時鐘輸入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來完成內部時鐘倍頻：

車載TBOX 的語音系統(tǒng)輸入電壓為3.3 V，由電源管理芯片內部DC-DC 后輸出提供，VDDA 主要供電內部ADC 和DAC 等單元，VDDIO 供電內部I/O 等數(shù)字電路。DC-DC 相比LDO，騷擾噪聲更加明顯，所以針對車載系統(tǒng)電磁干擾超標問題，主要關注自身的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信號供電TBOX[15-17]，電源管理芯片內部經(jīng)過DC-DC降壓并輸出兩個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，對地增加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 的高頻噪聲提供對地通路，在PCB 布局中電容盡量靠近芯片的BAT 引腳擺放，兩個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聲器和內部PLL 生成的時鐘，外部輸入12.28 MHz 的SYS_MCLK主時鐘后，經(jīng)過內部PLL 分頻給內部ADC 和DCA 電路使用，實測中發(fā)現(xiàn)關閉語音功能后，RE 測試指標性能得到提升，所以對語音信號的電磁兼容優(yōu)化非常關鍵。如圖5 所示，在輸出的語音信號Audio_L 和Audio_R 中添加濾波器和三個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 和車機通信的接口，是外部車機干擾源和自身傳導輻射的主要途徑。如圖6所示，在蓄電池信號KL_12V 附近串聯(lián)330 Ω的磁珠和并聯(lián)對地的去耦電容濾掉信號的傳導噪聲，在Audio_L 和Audio_R 靠近連接器處分別串聯(lián)在40 MHz 頻點附近濾波效果好的磁珠，抑制傳導干擾的輻射。

在PCB 布線中，濾波器件需要靠近對應引腳，并做好敏感信號Audio_L 和Audio_R 的包地處理，以及電源KLV_12V 的打地孔信號回流，做好隔離保護措施。

車載TBOX 和汽車主機通信協(xié)議為CAN 總線，可讀取汽車的實時狀態(tài)和執(zhí)行指令。對于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，也可以抑制自身對外發(fā)送的傳導噪聲。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)過共模電感對電磁干擾信號進行有效抑制。

圖6 連接器I/O接口和CAN總線濾波

4.4 優(yōu)化后復測

經(jīng)過以上優(yōu)化措施后，復測RE 在頻率30 MHz～1 GHz 的測試值，已經(jīng)可以滿足車載標準EN55032中的指標限值要求，頻點在45 MHz 時值為32.014 dBuV，已留有8 dBuV 的裕度范圍，同時復測了廣播業(yè)務和移動業(yè)務下的CE 項和ALSE 等，EMC 兼容性測試均可通過標準規(guī)范，證明優(yōu)化措施沒有帶來新的EMC 測試問題。

5 結束語

通過對車載TBOX 的電磁干擾測試項RE 超標問題進行分析，找出干擾源的傳播途徑，并結合原理圖設計和PCB 布局給出改進方案，針對電源管理、語音模擬信號和CAN 總線部分設計進行優(yōu)化，通過實驗復測EMC 相關測試項，驗證了優(yōu)化措施的有效性，最終滿足車載標準規(guī)范中電磁兼容的指標要求。