林森，陳博凱，張志鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

如今汽車（傳統(tǒng)汽車、電動(dòng)汽車、無人車）上大量電子電器設(shè)備的應(yīng)用，集成了各類電機(jī)控制器，傳感器，多媒體設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備，造成車內(nèi)系統(tǒng)之間以及車輛對(duì)外電磁輻射升高，整車電磁兼容惡化。例如，某款車載的多媒體設(shè)備，導(dǎo)航儀和倒車?yán)走_(dá)集成裝置經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象；某電動(dòng)車在電臺(tái)或者信號(hào)發(fā)送區(qū)域的故障率明顯增加；某款車儀表在停車狀態(tài)下車速指針出現(xiàn)擺動(dòng)等現(xiàn)象。以上問題在車輛現(xiàn)場(chǎng)是無法直接解決的，需要通過專用儀器設(shè)備進(jìn)行排查，這是一個(gè)耗時(shí)耗力的過程，有可能持續(xù)幾個(gè)月的時(shí)間，直接導(dǎo)致車輛定型或上市時(shí)間延遲。這些問題的根源就是沒有系統(tǒng)的進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

電磁兼容的英文名稱為“Electromagnetic Compatibility”，通常用“EMC”來表示。GB/T 4365-2003中對(duì)電磁兼容給出了專業(yè)的定義：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁現(xiàn)象看不到摸不到卻無時(shí)無刻不在我們身邊發(fā)生。本文列出了車輛及零部件需要通過哪些法規(guī)測(cè)試以及法規(guī)之間的橫向比較，引出電磁兼容設(shè)計(jì)需考慮的因素，總結(jié)車輛設(shè)計(jì)要求，通過實(shí)車試驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)思路的正確性，為新車型開發(fā)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 整車及零部件法規(guī)要求

對(duì)車輛法規(guī)的了解是進(jìn)行車輛設(shè)計(jì)的前提，目前車輛法規(guī)類標(biāo)準(zhǔn)分為民品和軍品兩類，在民品車輛里既有傳統(tǒng)車型也有最新電動(dòng)車類標(biāo)準(zhǔn)，見下表1統(tǒng)計(jì)所示。

表1 車輛法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

不管是民用車輛還是軍用車輛，在測(cè)試方法上大致相同，由于軍、民車輛在使用環(huán)境上的差異導(dǎo)致法規(guī)限值的曲線及限值不同，但在設(shè)計(jì)思路和方法上是一致的，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，民用車輛零部件輻射發(fā)射在Level3級(jí)水平或以上將減少整車發(fā)射失敗的概率，民用車輛的Level4或Level5級(jí)在某些頻段近似軍用車輛的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在零部件開發(fā)成本可控的前提下對(duì)零部件的試驗(yàn)等級(jí)盡量提高要求以增加整車試驗(yàn)的通過概率。

特別強(qiáng)調(diào)的是GB 34660從2018年1月1日開始實(shí)施，參考了ECE R10.3版本內(nèi)容，車輛在認(rèn)證時(shí)除了做輻射發(fā)射外，還增添了輻射抗擾相關(guān)內(nèi)容，增加了通過難度。

2 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

2.1 輻射發(fā)射特性

輻射發(fā)射是指以電磁波的形式通過空間傳播電磁噪聲能量的過程，電氣電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的伴隨電磁輻射是一類主要的干擾源，這種輻射并不是設(shè)備為了完成預(yù)定功能而必須發(fā)射的，而是設(shè)備在正常工作過程中產(chǎn)生的意外發(fā)射，它是產(chǎn)品輻射發(fā)射超標(biāo)的主要源頭，所有電子設(shè)備必須盡量消除這種伴隨發(fā)射。

圖1 左側(cè)為電流環(huán)天線右側(cè)為電偶極天線

為了消除這種輻射發(fā)射，必須了解電磁輻射的條件。電磁波輻射的兩個(gè)必要條件是天線和流過天線的交變電流，電子設(shè)備之所以會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，是因?yàn)殡娮釉O(shè)備中包含了各種寄生天線，只要消除寄生天線或降低了這些天線的輻射效率或避免交變電流進(jìn)入這些天線，電磁輻射將會(huì)大幅減小。因此控制輻射干擾源的過程就是分析寄生天線，消除寄生天線以及控制天線輻射的過程。兩個(gè)基本的天線結(jié)構(gòu)是電流環(huán)和電偶極如下圖1所示。

根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的距離，將區(qū)域分為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。假定觀測(cè)點(diǎn)到輻射源的距離為 D，將 D＜λ/2π的區(qū)域稱為近場(chǎng)區(qū)，將 D＞λ/2π的區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。λ/2π附件區(qū)域稱為過渡區(qū)。阻抗與距離的關(guān)系如下圖2所示。

圖2 電流環(huán)天線和電偶極天線的波阻抗

1）如果 Z≥7.9Df（D的單位為 m，f的單位為 MHz）則E=VA/4πD3（uV/m）式中：E電路輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度（uV/m）；V為驅(qū)動(dòng)源的電壓（V）；A為電路的面積（cm2）；D為觀測(cè)點(diǎn)到電路的距離（m）。

2）如果Z≤7.9Df（D的單位為m,f的單位為MHz）則E=63IAf/D2（uV/m）式中：E為電路輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度（uV/m）；I為電路中的電流（A）；f為電流的頻率（MHz）；A為電路的面積（cm2）；D為觀測(cè)點(diǎn)到電路的距離（m）。

由輻射發(fā)射原理我們可以看出輻射能量與電流，電壓，頻率，環(huán)路面積，距離有直接關(guān)系，由此設(shè)計(jì)時(shí)要關(guān)注這些量的變化對(duì)結(jié)果的影響。

2.2 濾波器件的阻抗頻率特性

在PCB板級(jí)EMC設(shè)計(jì)中常用的濾波器件有很多種類，包括電阻、電感、電容，鐵氧體磁珠等。

表2為基本元器件的頻率阻抗特性，從圖中可以看出高低頻差異明顯不同。

表2 頻率阻抗特性圖

通常在設(shè)計(jì)電路時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的是低頻情況下元件的特性，隨著時(shí)鐘，芯片工作頻率的提高，小空間多芯片PCB的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，在某些高速板的設(shè)計(jì)過程中如果沒有考慮到元器件的高頻特性，在功能實(shí)現(xiàn)上都會(huì)出現(xiàn)問題。因此在開始設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)考慮到元件的射頻特性。

電容、電感元件在設(shè)計(jì)過程中被經(jīng)常使用，電容的容抗Z=1/2πfc，電感的感抗 Z=2πfl，在諧振頻率之前，容抗隨頻率增加而減小，感抗隨頻率增加而增大，在高頻下這是我們使用的特性。而在諧振頻率之后，電容表現(xiàn)為感性，電感表現(xiàn)為容性，電感和電容將失去原有特性，濾波能力將大打折扣，因此在使用這些元器件時(shí)需關(guān)注其諧振頻率f=1/2π√LC。以上這些基礎(chǔ)概念貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程中但也常常被忽略.在板級(jí)及系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)時(shí)刻掌握影響輻射發(fā)射的關(guān)鍵因素。

2.3 屏蔽、接地、濾波三大手法的應(yīng)用

EMC設(shè)計(jì)的三大手法，屏蔽、接地、濾波在各種書籍中均有提到，如何將理論靈活應(yīng)用在車輛整體設(shè)計(jì)或某個(gè)分系統(tǒng)上是一個(gè)艱難的過程，整車線束和零部件一旦布置捆扎好，后期試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題時(shí)變線束或變動(dòng)零部件位置方面將非常困難，因此在設(shè)計(jì)初期除了考慮通過法規(guī)要求外還須根據(jù)車輛實(shí)際使用的環(huán)境選擇一種性價(jià)比高的電磁兼容設(shè)計(jì)方案。表3在設(shè)計(jì)時(shí)必須得到處理。

表3 設(shè)計(jì)要求

3 設(shè)計(jì)整改案例

3.1 零部件試驗(yàn)

1）火焰預(yù)熱控制器在設(shè)計(jì)之初并未進(jìn)行電磁兼容性考核，裝在駕駛室后在工作時(shí)會(huì)影響到車輛電臺(tái)的通話質(zhì)量，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)單體并未達(dá)到限值要求，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 30MHz-200MHz測(cè)試曲線

通過數(shù)據(jù)分析是晶振選型以及PCB設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。由于PCB設(shè)計(jì)者只考慮功能實(shí)現(xiàn)，并未有EMC方面的知識(shí)，導(dǎo)致PCB沒有考慮EMC和Safety，實(shí)車使用過程中多次出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，需經(jīng)常更換備件，PCB板走線和元器件擺位不合理已無法進(jìn)行整改。因此重新設(shè)計(jì)PCB并對(duì)元器件進(jìn)行選型，合理分割地平面，新樣品一次合格，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 30MHz-200MHz測(cè)試曲線

通過原理及PCB合理設(shè)計(jì)，新樣品在成本上并未增加多少，但可靠性卻大幅提高。樣品試驗(yàn)照片如圖5所示。

圖5 樣品試驗(yàn)照片

2）車輛組合儀表在輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)輻射超標(biāo)，打開儀表后蓋發(fā)現(xiàn)儀表殼體在噴漆時(shí)沒有對(duì)結(jié)合處進(jìn)行保護(hù)，也作了噴漆處理，導(dǎo)致殼體兩個(gè)接觸面表面上看起來是接觸的，其實(shí)是絕緣的，整個(gè)殼體相當(dāng)于有60cm長(zhǎng)的一條縫隙，導(dǎo)致殼體內(nèi)輻射通過縫隙泄露，并未達(dá)到殼體屏蔽的作用。儀表的線束插頭針腳未做濾波處理以及線束走線沒有進(jìn)行捆扎耦合了芯片的能量，導(dǎo)致對(duì)外輻射超標(biāo)嚴(yán)重，圖6為測(cè)試超標(biāo)曲線。

圖6 200MHz-1000MHz測(cè)試超標(biāo)曲線

通過將接縫處噴漆刮掉，將接插件引腳進(jìn)行濾波，對(duì)儀表內(nèi)部線束進(jìn)行走線捆扎避開視頻模塊信號(hào)耦合到線束上后測(cè)試效果得到明顯改善。圖7為整改后試驗(yàn)數(shù)據(jù)，整改方案見圖8、圖9所示。

圖7 200MHz-1000MHz測(cè)試通過曲線

圖8 殼體邊緣噴漆處理及添加濾波模塊

圖9 線束走線設(shè)計(jì)避免高頻耦合

3.2 整車試驗(yàn)

圖10 整車垂直方向數(shù)據(jù)

圖11 整車水平方向數(shù)據(jù)

圖12 整車試驗(yàn)照片

通過對(duì)零部件單體進(jìn)行逐一試驗(yàn)確定滿足要求后，將線束、零部件裝入車輛進(jìn)行整車試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)需打開燈光，雨刮，多媒體，空調(diào)等所有電器件。圖10為垂直方向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，圖11為水平方向?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，圖中直線部分是限值要求，試驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。圖12為整車試驗(yàn)照片。

4 結(jié)論

本文通過開發(fā)新車型的機(jī)會(huì)，將電磁兼容設(shè)計(jì)的思路和方法提出一些建議進(jìn)行了驗(yàn)證，通過對(duì)零部件，線束的設(shè)計(jì)測(cè)試，以及對(duì)工藝的嚴(yán)格要求，使車輛整體電磁兼容性達(dá)到法規(guī)的要求，滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，證明了設(shè)計(jì)要求的正確性。但因各廠家整體布置及零部件設(shè)計(jì)不同，設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)應(yīng)具體問題具體分析。

[1] （美）B.E.凱瑟.電磁兼容原理[M].北京：電子工業(yè)出版社,1985.

[2] 楊繼深.電磁兼容技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)與認(rèn)證[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004.6.

[3] （美）路德維格.射頻電路設(shè)計(jì)—理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002.5.