常君　徐建軍

摘 要：針對(duì)車(chē)載終端在電磁兼容測(cè)試過(guò)程中音頻輻射騷擾超標(biāo)問(wèn)題，從設(shè)計(jì)和測(cè)試兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，通過(guò)優(yōu)化濾波器參數(shù)、改善PCB布局等方法，并將其對(duì)策到實(shí)際音頻電路中。整改后的測(cè)試結(jié)果表明，車(chē)載終端音頻輻射騷擾測(cè)試符合實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞：電磁兼容;車(chē)載終端;輻射騷擾;濾波器

1 引言

車(chē)載終端是車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中重要的組成部分，集成了數(shù)據(jù)采集、通信、應(yīng)急通話等多項(xiàng)功能，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)、緊急事故報(bào)警等。受整機(jī)體積限制，車(chē)載終端音頻電路選用效率高、體積小的D類(lèi)音頻放大器，但是由于D類(lèi)音頻放大器采用的PWM調(diào)制技術(shù)，這種調(diào)制技術(shù)在驅(qū)動(dòng)后級(jí)功率管高速切換時(shí)，會(huì)帶來(lái)一些高頻諧波噪聲，這些高頻諧波噪聲人耳無(wú)法識(shí)別，但會(huì)對(duì)周邊車(chē)載電子系統(tǒng)造成一定的影響，即EMI問(wèn)題，因此必須將諧波噪聲輻射的影響降至允許限值以內(nèi)，才可以使用。

本文主要分析了車(chē)載終端音頻輻射騷擾產(chǎn)生的原因，并提出了優(yōu)化及改善措施。

2 車(chē)載終端音頻測(cè)試分析

車(chē)載終端在做EMC實(shí)驗(yàn)時(shí)，音頻電路需要正常工作，實(shí)驗(yàn)室需要參照一些參考標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定是否合格。該類(lèi)產(chǎn)品參考標(biāo)準(zhǔn)有汽車(chē)廠家的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際IEC標(biāo)準(zhǔn)等。測(cè)試方法及布局依據(jù)CISPR 25-2008要求規(guī)定進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，由于本實(shí)例汽車(chē)廠家自制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)，因此以汽車(chē)廠家自制標(biāo)準(zhǔn)為判定依據(jù)。其中輻射測(cè)試電波暗室法規(guī)定頻率在0.5-1.8MHz區(qū)間，限值要求平均值<12dBuV/m，峰值<30dBuV/m。實(shí)際試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1，輻射測(cè)試天線選用長(zhǎng)度為1m桿狀垂直單極天線。首次摸底測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2及表1可知，在0.4 MHz處，即標(biāo)號(hào)2位置，輻射能量最大，但此處頻率不在規(guī)定范圍內(nèi)，而在1.2MHz處，即標(biāo)號(hào)4位置，測(cè)得的輻射波形能量平均值超出限值6.15dB（限值為12dBuV/m），而峰值未超標(biāo)（限值為30dBuV/m）。判定為不合格，需要整改。

3 車(chē)載終端音頻輻射騷擾分析

車(chē)載終端音頻電路采用的是TI公司的TAS5411型號(hào)芯片，該芯片是一款汽車(chē)級(jí)單路模擬輸入的D類(lèi)音頻放大器，芯片內(nèi)部采用PWM調(diào)制技術(shù)，將輸入的差分信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制后，再驅(qū)動(dòng)后級(jí)H-橋功率管切換開(kāi)關(guān)工作，經(jīng)過(guò)外部LC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波后推動(dòng)揚(yáng)聲器工作。后級(jí)推動(dòng)電路等效為圖3所示，內(nèi)部H–橋是由四個(gè)MOS功率管構(gòu)成，可以等效成開(kāi)關(guān)，PMOS在上，NMOS在下，每個(gè)MOS管旁并聯(lián)寄生體二極管（也叫體二極管）。

以圖3為例，當(dāng)PWM控制H–橋從1狀態(tài)逐漸切換到3狀態(tài)過(guò)程中，在狀態(tài)1 時(shí)，NMOS導(dǎo)通，電流由下往上流過(guò)NMOS管到負(fù)載;在2狀態(tài)，由于NMOS關(guān)斷，由于負(fù)載（電感）電流的不能突變的特性，NMOS 的體二極管被迫導(dǎo)通，到了3狀態(tài)，PMOS 開(kāi)啟，由于體二極管上電壓突然翻轉(zhuǎn)，使得其快速關(guān)斷，最終電感電流由PMOS提供。而在從2到3的轉(zhuǎn)換過(guò)程當(dāng)中，會(huì)伴隨有較大的反向恢復(fù)電流，正是由于大的反向恢復(fù)電流出現(xiàn)在體二極管上，會(huì)導(dǎo)致很大的di/dt，這也正是電磁干擾的主要來(lái)源。該P(yáng)WM切換頻率在0.4MHz，因此在輸出信號(hào)線和電源線上變化的電流信號(hào)帶來(lái)的EMI噪聲輻射，主要集中在10MHz以下的頻段;而方波的邊沿變化一般是在納秒級(jí)別的，如圖4所示，測(cè)試為8.2ns，根據(jù)EMI發(fā)射帶寬的公式F=0.35/Tr，其中：F 是頻率，單位是GHz;Tr 是單位為ns（納秒）的信號(hào)上升時(shí)間或者下降時(shí)間。 從公式中不難看出，當(dāng)上升沿時(shí)間是8.2ns，那么該電路的最高EMI發(fā)射頻率將達(dá)到42MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該電路的測(cè)試時(shí)超標(biāo)頻率1.2MHz，因此排除了方波可能性。

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)變換，任何周期性重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量，同樣對(duì)于方波也適用?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了：當(dāng)對(duì)音頻放大器實(shí)施靜音控制，此1.2MHz輻射超標(biāo)點(diǎn)也立刻消失，即此輻射超標(biāo)頻點(diǎn)是伴隨音頻功放大器的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)后級(jí)橋式功率管切換開(kāi)關(guān)工作而出現(xiàn)的。該芯片驅(qū)動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的工作頻率是0.4MHz，因此1.2 MHz輻射超標(biāo)點(diǎn)是基波0.4MHz的3倍奇次諧波。

當(dāng)電磁干擾波的頻率小于30MHz時(shí)，電磁干擾主要是以傳導(dǎo)方式在電子設(shè)備中傳導(dǎo)噪聲的，而本輻射超標(biāo)頻點(diǎn)是1.2 MHz<30MHz，應(yīng)該是以傳導(dǎo)方式傳播的，通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)試布局圖分析發(fā)現(xiàn)，負(fù)載喇叭距離車(chē)載終端線長(zhǎng)2米，設(shè)備供電電源屬于遠(yuǎn)端接地方式，而測(cè)試天線位于線束布局中間處，只能接收來(lái)自空間的輻射干擾。因此說(shuō)明該諧波噪聲通過(guò)線束沿線束傳播，在傳播過(guò)程中，形成了空間輻射。

4 車(chē)載終端整改分析

抑制輻射騷擾從切斷輻射路徑和改善器件周邊設(shè)計(jì)兩個(gè)方面解決。

（1）針對(duì)傳導(dǎo)輻射整改：該D類(lèi)音頻放大器后級(jí)輸出連接有LC 濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示，通過(guò)LC濾波網(wǎng)絡(luò)，把高頻分量濾除后，將脈沖信號(hào)還原成模擬信號(hào)。通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)調(diào)整外部濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的辦法，降低濾波網(wǎng)絡(luò)的截止頻率，阻止基頻能量向外輻射，從而有效解決諧波輻射能量超標(biāo)問(wèn)題。該實(shí)例中濾波參數(shù)調(diào)整前L=10uH，C=1uF，截止頻率約為50.3KHz;調(diào)整后L=33uH，C=3.2uF，截止頻率約為15.5KHz，。車(chē)載終端對(duì)音頻頻率高值要求8KHz，符合要求。

（2）其他方面整改：

A. 加強(qiáng)鋪地：擴(kuò)大地平面，在布線中應(yīng)多點(diǎn)接地，保證最短電流返回路徑，從而縮短了電流的環(huán)路面積，減少輻射;

B. 加強(qiáng)包地：對(duì)模擬音頻輸入、I2C時(shí)鐘線+數(shù)據(jù)線、功放輸出到濾波電感這一段，都要包地，并且包地要有過(guò)孔連接到整個(gè)地平面上。

C.元件布局：電源入口處濾波電容應(yīng)按照容值從大到小順序依次向芯片供電引腳緊湊靠近，這樣可以減小差模輻射的環(huán)路面積。對(duì)于功放輸出腳外接的低通濾波器，元件盡可能須按照信號(hào)的流向來(lái)布局，使信號(hào)保持一個(gè)方向，并且對(duì)稱(chēng)、布局緊湊。濾波器件的接地應(yīng)與功放的地在同一層相連接，如不在同一層相連接，必然通過(guò)過(guò)孔相連，過(guò)孔盡可能多。

D.PCB布線：所有的走線要最短，保證連續(xù)性，寬度不要突然變化，不要走直角或銳角。在濾波電感底層不要走其他線，應(yīng)該是全部為地線或地平面。

通過(guò)以上多項(xiàng)措施改善，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試測(cè)得在1.2MHz數(shù)值為6.25dB，低于限值要求，滿足了需求。圖6為復(fù)測(cè)測(cè)試結(jié)果，如圖中標(biāo)號(hào)4，表2為復(fù)測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文從設(shè)計(jì)和測(cè)試兩個(gè)方面分析了車(chē)載終端在電磁兼容測(cè)試過(guò)程中音頻輻射騷擾超標(biāo)的原因，通過(guò)優(yōu)化濾波器參數(shù)、改善PCB布局等措施解決了音頻輻射騷擾超標(biāo)問(wèn)題，取得了一定的效果，同時(shí)降低了EMC風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，這些對(duì)策方案也可以應(yīng)用到相關(guān)的車(chē)載終端設(shè)備中，但需要針對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)電路靈活掌握。

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