常君　鄭智華

摘 要：文章介紹了車載通訊終端（T-BOX）工作原理和在汽車電子電磁兼容測(cè)試時(shí)所遇到的RE、BCI和ESD等常見問題;從原理設(shè)計(jì)、器件選型、 PCB布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并列出了車載通訊終端EMC的設(shè)計(jì)規(guī)則，確保了產(chǎn)品良好的性能。

關(guān)鍵詞：汽車電子;車載通信終端;電磁兼容

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-42-03

前言

作為車聯(lián)網(wǎng)的主要部件，車載通信終端（英文名稱是Telematics BOX，簡(jiǎn)稱T-BOX），承擔(dān)著車內(nèi)網(wǎng)與車外網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信、車身數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等重要功能，因此應(yīng)用越來越廣泛，尤其是《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 32960）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，使得T-BOX前裝率將得到大幅度提升，設(shè)計(jì)方在滿足了車廠對(duì)車載通信終端日新月異的功能需求同時(shí)，也要應(yīng)對(duì)來自EMC設(shè)計(jì)帶來的挑戰(zhàn)。本文主要對(duì)T-BOX進(jìn)行介紹和EMC設(shè)計(jì)分析。

1 車載通信終端介紹

作為汽車電子產(chǎn)品，T-BOX對(duì)可靠性、工作溫度、抗干擾等方面有著嚴(yán)格要求，T-BOX主要工作器件采用車規(guī)級(jí)，可以在-40℃～+85℃環(huán)境下工作，在車輛上使用車載蓄電池供電，內(nèi)置備用電池可以在應(yīng)急環(huán)境下報(bào)警使用。T-BOX主要由主機(jī)、天線（衛(wèi)星+移動(dòng)天線）、電源線束和外置附屬配件等部分組成，其中主機(jī)內(nèi)有移動(dòng)通信模塊（內(nèi)置集成有衛(wèi)星通信功能）。當(dāng)主機(jī)通電工作時(shí)，MCU處理器讀取車身CAN總線報(bào)文數(shù)據(jù)，與移動(dòng)通信模塊將解析后的位置信息一起通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將信息上傳到后臺(tái)服務(wù)器，交給后臺(tái)進(jìn)行分析和處理;同時(shí)，車載T-BOX在獲取到下行控制命令后，通過CAN總線發(fā)送控制報(bào)文并實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的控制，可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控車輛、數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程報(bào)警等多種在線應(yīng)用功能。T-BOX系統(tǒng)主要包括：4G模塊、MCU處理器、CAN總線、音頻處理、電源管理、接口電路等，見圖1系統(tǒng)框圖。

2 車載通信終端EMC設(shè)計(jì)

針對(duì)T-BOX的EMC測(cè)試主要包括輻射類、抗擾類和ESD測(cè)試，其中，RE測(cè)試、BCI測(cè)試、和ESD測(cè)試是重點(diǎn)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初若考慮不當(dāng)，測(cè)試中產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)NG現(xiàn)象，RE測(cè)試結(jié)果導(dǎo)致個(gè)別頻點(diǎn)超出設(shè)定標(biāo)準(zhǔn);在BCI測(cè)試時(shí)產(chǎn)品受干擾會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)亂碼;ESD會(huì)導(dǎo)致接口損壞或驅(qū)動(dòng)IC失效等問題，因此需要從設(shè)計(jì)源頭入手分析，在實(shí)驗(yàn)中采取有效的對(duì)策，才能夠降低產(chǎn)品的EMC風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 車載通信終端RE問題及解決措施

RE測(cè)試是衡量被試品通過空間輻射對(duì)其他設(shè)備的騷擾能力。汽車電子的RE測(cè)試檢測(cè)頻率一般從0.1MHz開始，最高可以達(dá)到3GHz，幾乎覆蓋到所有通訊行業(yè)頻率，造成RE超標(biāo)的原因是多方面的，如設(shè)計(jì)電路有缺陷、PCB布局問題、結(jié)構(gòu)屏蔽效能低、器件選型問題等等，因此需要針對(duì)具體問題而具體分析，在筆者的一個(gè)項(xiàng)目曾經(jīng)遇到低頻段1.2MHz頻點(diǎn)嚴(yán)重超標(biāo)，通過排除法定位了來自電感器件問題，采用全封閉電感替代半封閉電感后，通過實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證，輻射明顯降低了。如圖2、圖3所示。

針對(duì)RE輻射問題，常見的解決辦法如下：

2.1.1 降低干擾源輻射能量

T-BOX內(nèi)部電路各個(gè)器件工作時(shí)鐘CLK頻率也各不相同，從幾百KHz一直到幾十MHz，通常為了降低時(shí)鐘對(duì)外能量輻射，在器件收發(fā)時(shí)鐘線上串聯(lián)10-22Ω不等的電阻，讓時(shí)鐘脈沖上升沿變?yōu)榫徛仙?同時(shí)對(duì)時(shí)鐘線要做包地處理;空間上與其他布線之間要滿足3W原則;其他模擬信號(hào)電路要遠(yuǎn)離時(shí)鐘干擾源。

2.1.2 PCB布線要優(yōu)化

電源、地的環(huán)路布局面積要小，電源入口線要最短;差分信號(hào)線要同層、等長(zhǎng)、并行、阻抗一致，差分線間無其他走線;高頻信號(hào)走過孔要少;個(gè)別DCDC電源加屏蔽殼接地處理;重要信號(hào)線勿走折線。

2.1.3 器件布局方面要合理

晶振、晶體等強(qiáng)輻射器件要遠(yuǎn)離敏感器件，并且要遠(yuǎn)離PCB邊緣，在晶振周邊加隔離地，與MCU之間引線要短;接口信號(hào)的濾波防護(hù)器件要遵循先防護(hù)后濾波原則。

通過以上多種處理措施，能夠?qū)E干擾能量降低，有效地解了決RE輻射超標(biāo)問題。

2.2 車載通信終端BCI問題及解決措施

BCI“Bulk Current Injection”（大電流注入）是用來衡量各車載設(shè)備抵御耦合到線束上的射頻干擾信號(hào)的能力，是汽車電子產(chǎn)品常用的一種抗干擾試驗(yàn)方法。BCI的工作原理是利用電流注入探頭互感器將干擾信號(hào)感應(yīng)至線束，射頻干擾信號(hào)通過電流注入探頭耦合后，轉(zhuǎn)換為射頻電流，在線束中以共模方式流過，因此干擾方式主要是以共模干擾形似存在，一般測(cè)試的頻率范圍從1Hz至400MHz。依據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-4：2005《道路車輛.窄帶輻射的電磁能量產(chǎn)生的電干擾的部件試驗(yàn)方法第4 部分：大電流注入（BCI）法》，對(duì)T-BOX進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)中需要對(duì)包括4G通訊、CAN 通訊等主要功能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

在做BCI測(cè)試時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)CAN報(bào)文數(shù)據(jù)和USB接口數(shù)據(jù)出現(xiàn)亂碼現(xiàn)象;按鍵接口偶爾會(huì)誤動(dòng)作現(xiàn)象，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行分析，一般采用下面兩種做法：

（1）對(duì)于USB、CAN之類屬于差模信號(hào)傳輸，而施加的回路干擾屬于共模類型，串上共模電感能較好的抑制共模干擾，并且共模電感對(duì)有用的差分信號(hào)沒有任何衰減。

（2）對(duì)于單端信號(hào)，像按鍵、LED之類的差?；芈奉愋?，采用濾波器方式，在線纜入口處放置濾波電容，根據(jù)施加干擾頻率范圍，選擇有效濾波頻段和電容容值，能夠?qū)⒏蓴_信號(hào)降低濾除。

因此，對(duì)于BCI測(cè)試，針對(duì)不同的電路設(shè)計(jì)模式，采用有效的對(duì)策手段，能夠取得明顯的效果。

2.3 車載通信終端ESD設(shè)計(jì)

ESD是T-BOX 在EMC設(shè)計(jì)中最需重要環(huán)節(jié)，ESD試驗(yàn)是為了評(píng)估車載設(shè)備遭受來自操作者直接接觸放電和臨近物體間接放電的抗擾能力，一旦ESD失效，會(huì)導(dǎo)致T-BOX主機(jī)某些接口功能失效或器件損壞，直接影到響產(chǎn)品使用，對(duì)于ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，主要從硬件角度進(jìn)行考慮，包括原理圖設(shè)計(jì)、PCB布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等綜合處理方法。以下列出相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)供大家參考。

（1）設(shè)計(jì)前期需要確定T-BOX耐受ESD電壓等級(jí)，所選防靜電器件要高于測(cè)試電壓，確保ESD實(shí)驗(yàn)時(shí)靜電不會(huì)將T-BOX接口內(nèi)部器件擊壞。

（2）在原理圖設(shè)計(jì)階段，需要在T-BOX所有與外界交互的接口處要預(yù)留TVS管等ESD保護(hù)措施，用于提高接口的抗ESD干擾能力。

（3）PCB元件布局時(shí)，要保證靜電通過TVS管對(duì)地泄放回路路徑盡可能短， 并且泄放回路阻抗要足夠低;TVS管等ESD保護(hù)措施盡可能放在接口處附近，當(dāng)靜電由端子外部向內(nèi)部沿信號(hào)線傳遞時(shí)，首先要經(jīng)過TVS管及保護(hù)措施，并且可以在信號(hào)線上串微小電阻，能夠有效的攔截靜電流流入板內(nèi)。主機(jī)所有元件布局時(shí)，器件距離四周板邊緣要≥5mm，并且在此區(qū)域內(nèi)不要布信號(hào)線，而是鋪滿地層，對(duì)于多層PCB，板子邊緣要多放置一些地孔。

（4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，殼體縫隙要足夠小，用于防止空氣放電時(shí)靜電竄擾到殼體內(nèi)部PCB板上，而擊壞器件。

3 結(jié)論

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)量與保有量都在不斷攀升，EMC設(shè)計(jì)在汽車電子中的地位日益重要，汽車電子的EMC標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)于其他類產(chǎn)品，通過EMC試驗(yàn)測(cè)試，能夠客觀的評(píng)價(jià)T-BOX電磁兼容設(shè)計(jì)能力。針對(duì)EMC測(cè)試問題，可以從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，采取有效地對(duì)策措施，從而降低產(chǎn)品的EMC風(fēng)險(xiǎn)，保障了產(chǎn)品質(zhì)量，本文所提及的EMC解決方法也可以應(yīng)用到其他類電子產(chǎn)品中。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曦.汽車電子EMC設(shè)計(jì)中的電子元器件選型技術(shù)[J].電子元件與材料，2014.9：99-100.

[2] 李研強(qiáng)，張曉芳.汽車電子產(chǎn)品全壽命電磁兼容測(cè)試方法[J].山東科學(xué)，2017.4：133-138.

[3] 王云，蔣莉，張旭等.車載終端傳導(dǎo)騷擾性能的優(yōu)化[J].安全與電磁兼容，2018.3：85-87.

[4] 趙士楨，周蓓，馬欣.車聯(lián)網(wǎng)終端 EMC 測(cè)試實(shí)施中的關(guān)鍵點(diǎn)[J].安全與電磁兼容，2015.5：25-27.