陳渝+李旭+郭迪軍

摘 要：車(chē)載通信控制器是實(shí)現(xiàn)人車(chē)互聯(lián)的核心器件，對(duì)整車(chē)電磁環(huán)境影響較大?；谲?chē)載通信控制器的功能和組成特點(diǎn)，研究了其電磁干擾的測(cè)試方案，并根據(jù)其干擾特性，提出了抑制干擾的措施，滿足了整車(chē)使用要求。

關(guān)鍵詞：車(chē)載通信控制器；電磁干擾；測(cè)試分析；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.53文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.08

Chen Yu，Li Xu，Guo Dijun

（Chang'an Automotive Engineering Institute，Chongqing Chang'an Automobile Co.， Ltd，Chongqing 401120，China）

Abstract：The communication controller offers a direct connection between car and driver.However， it causes electromagnetic interference and seriously affects to the vehicle's electromagnetic environment. Based on its functions and constituent features，the paper conducted research on the test plan for its EMI measurements. And according to its electromagnetic interference characteristics，we proposed specific measures to restrain the interference while satisfying the requirements for vehicles.

Key words：vehicle mounted communication controller； electromagnetic interference； test analysis； optimi-zation

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及人們對(duì)生活便利性的需求越來(lái)越高，現(xiàn)代化智能轎車(chē)上搭載車(chē)聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品越來(lái)越廣泛和普及[1]。以車(chē)載通信控制器為例，其實(shí)現(xiàn)了用戶通過(guò)智能手機(jī)APP與汽車(chē)之間的數(shù)據(jù)和信息交互，具有遠(yuǎn)程控制車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，遠(yuǎn)程控制車(chē)窗、空調(diào)、查詢車(chē)輛狀態(tài)、車(chē)內(nèi)撥打服務(wù)電話、防盜追蹤等功能[2]。其功能眾多，工作時(shí)功率較大，特別是在通信過(guò)程中，將產(chǎn)生較大的電磁干擾，給整車(chē)電磁兼容性能提出新的挑戰(zhàn)，同時(shí)，作為通信產(chǎn)品與汽車(chē)零部件的融合，其電磁兼容性能測(cè)試方案也有別于傳統(tǒng)汽車(chē)零部件。

目前國(guó)內(nèi)車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品運(yùn)用還處于起步階段，市面上相同或類(lèi)似功能的產(chǎn)品較少，因而在國(guó)內(nèi)的期刊上很少看到車(chē)載通信控制器電磁干擾測(cè)試及其特性的文章，所以本文將基于車(chē)載通信控制器功能和組成特點(diǎn)，研究車(chē)載通信控制器電磁干擾特性的測(cè)試方案，并根據(jù)其電磁干擾特性，提出降低干擾的措施。本文所研究的內(nèi)容對(duì)車(chē)載通信控制器電磁干擾的分析優(yōu)化和國(guó)內(nèi)車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 車(chē)載通信控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的對(duì)象是搭載在長(zhǎng)安自主設(shè)計(jì)的CS75高配車(chē)型上的一款車(chē)載通信控制器，采用整車(chē)電源網(wǎng)絡(luò)供電，內(nèi)置通信模塊及通信天線。它基于GSM[3]無(wú)線通信方式，通過(guò)通信運(yùn)營(yíng)服務(wù)商提供相應(yīng)GPRS數(shù)據(jù)及GSM通話服務(wù)。同時(shí)，控制器具有CAN信號(hào)收發(fā)功能，與整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)CAN線數(shù)據(jù)與GSM等無(wú)線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和交互，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制整車(chē)各個(gè)電器設(shè)備和車(chē)內(nèi)通話的功能。其整車(chē)通信架構(gòu)如圖1所示。

為了滿足上述功能，所需的車(chē)載通信控制器內(nèi)部設(shè)備組成框圖如圖2所示，同時(shí)標(biāo)注了其主要干擾傳播途徑。

2 電磁兼容測(cè)試方案

從以上零部件方案和整車(chē)方案可以看出，此車(chē)載通信控制器各項(xiàng)控制功能實(shí)現(xiàn)方式為GPRS無(wú)線發(fā)送接收數(shù)據(jù)，其次就是GSM語(yǔ)音通話。它搭載到整車(chē)上的電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）問(wèn)題主要集中在控制器通信過(guò)程中產(chǎn)生輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾對(duì)汽車(chē)上其它零部件產(chǎn)生干擾，以及汽車(chē)零部件和外界環(huán)境對(duì)控制器的數(shù)據(jù)連接性和通話質(zhì)量產(chǎn)生干擾，從而造成連接中斷等問(wèn)題[4]。

車(chē)載通信控制器的臺(tái)架測(cè)試有別于傳統(tǒng)汽車(chē)零部件的電磁兼容測(cè)試方法。根據(jù)汽車(chē)級(jí)的CISPR25、ISO11452電磁兼容要求和通信系統(tǒng)的GB/T 22450[5]電磁兼容要求，同時(shí)根據(jù)電磁兼容測(cè)試處于暗室內(nèi)無(wú)法接收無(wú)線GSM或GPRS信號(hào)的特點(diǎn)，結(jié)合以上情況我們采用了以下車(chē)載通信控制器電磁兼容測(cè)試方案：運(yùn)用綜合測(cè)試儀置于暗室外，與車(chē)載通信控制器保持GSM無(wú)線通信狀態(tài)，對(duì)車(chē)載通信控制器播放1 kHz語(yǔ)音通話；另外與其保持GPRS通信狀態(tài)，使車(chē)載通信控制器處于隨機(jī)信令循環(huán)發(fā)送接收，并保持通信質(zhì)量和連接監(jiān)控。測(cè)試方案布置和測(cè)試照片分別如圖3和圖4所示。

其中，實(shí)現(xiàn)GSM、GPRS通信和數(shù)據(jù)連接狀態(tài)的核心儀器是一臺(tái)R&S的綜合測(cè)試儀CMU200，是一種模擬基站功能的測(cè)量設(shè)備，通過(guò)它我們可以對(duì)無(wú)線終端產(chǎn)品進(jìn)行GSM和GPRS連接和通信，同時(shí)對(duì)無(wú)線終端產(chǎn)品進(jìn)行通信信道、發(fā)射功率、上行下行時(shí)隙等一系列通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量GSM、GPRS的RXQUAL接收質(zhì)量、BLER誤塊率等指標(biāo)。我們將它置于暗室外，并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接至暗室內(nèi)的發(fā)射天線，同時(shí)接入CAN信號(hào)等測(cè)量和監(jiān)控設(shè)備，達(dá)到我們對(duì)車(chē)載通信控制器電磁兼容性能完整和精確測(cè)量的目的。

運(yùn)用CMU200對(duì)車(chē)載通信控制器電磁兼容測(cè)試進(jìn)行設(shè)置和測(cè)試的性能指標(biāo)要求見(jiàn)表1，其中RE為輻射發(fā)射，CE為傳導(dǎo)發(fā)射。

3 測(cè)試結(jié)果分析

按照以上測(cè)試方案和要求，我們進(jìn)行了相應(yīng)電磁兼容測(cè)試，部分超標(biāo)及不合格情況如表2及圖6～

8所示。

從以上結(jié)果及數(shù)據(jù)我們可以看出，車(chē)載通信控制器在進(jìn)行GSM通話過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射騷擾。由圖6和圖7可知，輻射發(fā)射測(cè)試在最高超標(biāo)頻點(diǎn)平均值檢測(cè)結(jié)果超標(biāo)了30 dB，在55 MHz左右平均值檢測(cè)結(jié)果超過(guò)規(guī)定限值要求。由圖8可知，傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試在1 MHz、8 MHz～25 MHz范圍內(nèi)多個(gè)頻點(diǎn)超標(biāo)嚴(yán)重。此電磁特性會(huì)對(duì)車(chē)輛其它零部件及接收設(shè)備造成嚴(yán)重影響，同時(shí)也對(duì)整車(chē)法規(guī)測(cè)試的通過(guò)帶來(lái)困難和隱患。

4 電磁兼容性能優(yōu)化

4.1 測(cè)試超標(biāo)原因分析

觀察測(cè)試結(jié)果可以看出，輻射發(fā)射超標(biāo)的點(diǎn)主要為245 kHz～30 MHz，從245 kHz開(kāi)始，其后平均值超標(biāo)點(diǎn)都為基波頻率的各次諧波，傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)頻點(diǎn)為880 kHz、6 MHz到30 MHz，其頻譜圖為大量窄帶諧波。

結(jié)合以上頻譜結(jié)果和車(chē)載通信控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析可知，通信控制器的超標(biāo)情況主要是由于控制器內(nèi)部各種芯片及時(shí)鐘開(kāi)關(guān)信號(hào)未經(jīng)合理處理導(dǎo)致。其中，音頻功率放大器TPA2010D1典型工作頻率為250 kHz，12 V～5 V的DCDC降壓芯片TPS54240同步開(kāi)關(guān)工作頻率為1MHz。解決測(cè)試結(jié)果中超標(biāo)問(wèn)題主要從抑制以上騷擾源的方向入手。

4.2 電源芯片及音頻功放芯片濾波優(yōu)化

根據(jù)騷擾源超標(biāo)頻段和濾波電容阻抗，對(duì)電源芯片產(chǎn)生的諧波和倍頻干擾，其BOOT和PH管腳之間應(yīng)添加20 MHz左右濾波效果良好的100 nF的電容就近到地，減小其電磁騷擾傳導(dǎo)到后續(xù)負(fù)載電路，減小線間串?dāng)_并帶出到通信控制器外[6]。對(duì)音頻功放芯片，其工作產(chǎn)生的內(nèi)部及附近走線的線間串?dāng)_的電磁騷擾，主要通過(guò)揚(yáng)聲器輸出傳導(dǎo)出通信控制器內(nèi)部。因此，需要在靠近功放芯片位置處進(jìn)行共模差模濾波處理[7]，如圖9和圖10所示。

4.3 電源濾波方案優(yōu)化

通信控制器的電源輸入端與整車(chē)電源連接，通?？刂破鲀?nèi)部的電磁干擾會(huì)通過(guò)電源端口傳導(dǎo)到其它車(chē)載電器部件，同時(shí)，其它車(chē)載電器部件的電磁干擾也會(huì)通過(guò)此電源端口傳導(dǎo)進(jìn)通信控制器，對(duì)通信控制器的正常工作產(chǎn)生影響。所以，對(duì)其電源端口的濾波設(shè)計(jì)尤為重要。

圖11是對(duì)通信控制器的電源輸入端的濾波電路設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)電容及磁珠濾波頻率，在正負(fù)極上使用470 nF對(duì)地共模濾波電容，并使用多孔磁珠，組成共模濾波網(wǎng)絡(luò)，抑制150 kHz～30 MHz左右的傳導(dǎo)共模電流。同時(shí)，在正負(fù)極之間還采用了2個(gè)470 nF差模電容，組成π型濾波網(wǎng)絡(luò)[8]濾出對(duì)控制器及對(duì)外傳導(dǎo)的低頻紋波。

4.4 I/O接口濾波方案優(yōu)化

對(duì)于輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試的電磁騷擾，主要是通過(guò)通信控制器I/O口的外接線束傳播。I/O口如果未經(jīng)合理濾波處理，會(huì)將各種芯片產(chǎn)生的大量電磁騷擾帶出控制器，造成輻射發(fā)射超標(biāo)，同時(shí)，外界的電磁干擾也容易通過(guò)I/O口進(jìn)入控制器內(nèi)部，造成聲音信號(hào)的失真嘯叫和控制器的誤動(dòng)作。對(duì)于對(duì)外傳導(dǎo)及輻射發(fā)射騷擾較大的0.15 MHz～30 MHz頻率段干擾，對(duì)通信控制器的I/O口信號(hào)輸入輸出處理也主要通過(guò)增加對(duì)地的100 nF電容[9]。具體如圖12所示。

4.5 車(chē)載通信控制器性能優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果

從以下測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)施以上優(yōu)化方案后，超標(biāo)的輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射經(jīng)測(cè)試已經(jīng)滿足相應(yīng)限值線要求。其中，圖13和圖14較圖6和圖7來(lái)看，在輻射發(fā)射超標(biāo)的低頻段干擾降低了30 dB左右，55 MHz左右的高頻段干擾降低了15 dB左右，并有6 dB左右的裕量。圖15較圖8來(lái)看，在傳導(dǎo)發(fā)射1 MHz、10 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)干擾降低也較明顯。經(jīng)過(guò)對(duì)電源芯片、功放芯片主要干擾源及電源端口、I/O口主要干擾途徑的濾波優(yōu)化后，車(chē)載通信控制器的電磁特性得到了較大改善，整體效果滿足預(yù)期要求。

5 結(jié)論

（1）本文基于車(chē)載通信控制器功能和組成特點(diǎn)，研究了車(chē)載通信控制器電磁干擾特性的測(cè)試方案，并根據(jù)相應(yīng)方案計(jì)劃實(shí)施了測(cè)試工作，能夠較客觀如實(shí)地測(cè)試出車(chē)載通信控制器在典型工作狀態(tài)下的電磁干擾特性。

（2）從測(cè)試結(jié)果看，該車(chē)載通信控制器電磁干擾較強(qiáng)，超標(biāo)嚴(yán)重。根據(jù)其干擾特性曲線，從整體構(gòu)架和干擾源及干擾途徑入手，提出了降低干擾的措施。經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)施后干擾得到有效降低，滿足了零部件測(cè)試要求和整車(chē)使用要求。

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