林 森

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著電子技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，車輛上集成了大量電子設(shè)備來實現(xiàn)各種功能。這些電子設(shè)備通過線纜進行互連，分布在車內(nèi)有限空間。一方面，各電子設(shè)備所連接線纜布局過于集中，相互耦合產(chǎn)生串?dāng)_，導(dǎo)致易受干擾的設(shè)備功能出現(xiàn)異常；另一方面，外部輻射能夠通過線纜耦合進入電子設(shè)備，對設(shè)備產(chǎn)生干擾，影響設(shè)備正常使用。汽車電磁兼容技術(shù)就是要保證車載電子設(shè)備在汽車運行過程中既不能發(fā)射超過允許限值范圍的電磁干擾，同時又能抵抗其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。電磁波看不到摸不到，產(chǎn)生的問題沒有功能和原理顯而易見，因而被忽略。傳統(tǒng)的汽車電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計是在設(shè)計完成后按國家標(biāo)準(zhǔn)進行試驗測試，若不能通過則修改設(shè)計后再次測試，如此反復(fù)設(shè)計，測試，整改，再設(shè)計的過程，延長了設(shè)計周期，增加了設(shè)計成本。因此，汽車電磁兼容已成為汽車設(shè)計時必須提前考慮的問題。

干擾源，干擾途徑和敏感設(shè)備是電磁干擾的三要素[1]。汽車電子設(shè)備大部分的指令下發(fā)，信息傳遞均通過線束實現(xiàn)。線束作為傳播途徑，既可以對外發(fā)射電磁波也可以接收外部電磁波。因此線束是設(shè)備發(fā)射超標(biāo)或抗擾性降低的主要因素之一。

基于以上分析，在產(chǎn)品設(shè)計之初，采用仿真分析的方法對電子設(shè)備使用的線束種類進行串?dāng)_和抗擾性仿真，通過仿真分析得出不同種類線纜具有的抗擾性水平，為線束選型提供設(shè)計依據(jù)，避免在后期解決電磁兼容問題時引起線束更換導(dǎo)致的成本增加和項目拖期等問題。

1 車輛電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求

面對日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，國內(nèi)外均制定了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對車輛和零部件進行合格性判定。我國在軍用和民用領(lǐng)域也制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)射和抗擾進行控制。下表1為零部件抗擾性法規(guī)要求。

表1 零部件抗擾性法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

從車輛類國家標(biāo)準(zhǔn)中我們可以看出，標(biāo)準(zhǔn)對整車和零部件設(shè)有抗擾性指標(biāo)考核，因此在整車和零部件設(shè)計時應(yīng)考慮產(chǎn)品抗擾性指標(biāo)，試驗時應(yīng)進行抗擾性測試，所有試驗項目均達到國家標(biāo)準(zhǔn)才算合格。

2 車輛線束分類

車輛基本功能為：在各種工況下均能夠保持行駛性。因此按照線束重要程度及實現(xiàn)功能綜合評估進行分類，見下表2所示。

從表2中我們選取實現(xiàn)車輛間信息交互的重要線束CAN總線、傳感器線以及射頻線與仿真模型中屏蔽/非屏蔽線、單根線和同軸線進行線束類型對應(yīng)，進行仿真分析，評估線束在非屏蔽，雙絞，屏蔽下的串?dāng)_和抗擾性水平，得出仿真結(jié)果，作為線束設(shè)計選型時參考依據(jù)。

表2 線束分類

3 線束仿真

通過使用仿真軟件模擬單根線纜、同軸線、雙絞線、屏蔽雙絞線在遇到外部強電磁環(huán)境時線纜上感應(yīng)到的電壓和電流大小評估各種線纜的串?dāng)_性和抗干擾性。線束分類及布置如圖1和圖2所示，兩圖區(qū)別在于將屏蔽雙絞線和單根線纜位置進行調(diào)換。線束建模如圖3所示。其中線束長度為1米，線束間隔為5厘米。在串?dāng)_仿真時，將最外側(cè)單根線定義為發(fā)射源，其它線纜上感應(yīng)到的電壓和電流大小為串?dāng)_值。在抗擾性仿真時，單根線纜只保留一根，輻射源用國軍標(biāo)中定義的電磁脈沖信號進行模擬。通過對線纜上感應(yīng)的電壓和電流大小來判斷線束的抗擾性能。

圖1 線束分類及布置（情況1）

圖2 線束分類及布置（情況2）

圖3 線束建模

3.1 線束串?dāng)_仿真

串?dāng)_是信號在傳輸線上傳播時，由于電磁耦合而在相鄰的傳輸線上產(chǎn)生不期望的電壓或電流噪聲干擾[2]。信號線的邊緣場效應(yīng)是導(dǎo)致串?dāng)_產(chǎn)生的根本原因。

如圖4所示，假設(shè)位于A點的驅(qū)動器是干擾源，而位于C點的接收器為被干擾對象。根據(jù)串?dāng)_產(chǎn)生的原因是由容性和感性所致，將串?dāng)_分為容性串?dāng)_和感性串?dāng)_[3]。

圖4 兩條傳輸線的感性容性耦合

本例中激勵信號為一個脈沖信號，SPICE模型如圖5所示，單根線纜的黃色端口為激勵源，仿真持續(xù)時間為0.1 us，脈沖為電壓型，電壓大小為24 V，如圖6所示。

圖5 SPICE建模

圖6 脈沖模擬信號

采用圖1線束布置位置仿真后各線纜上感應(yīng)電壓如圖7所示，感應(yīng)電流如圖8所示。對圖7和圖8中電壓和電流進行匯總，見表3。

圖7 各線纜上感應(yīng)電壓曲線

圖8 各線纜上感應(yīng)電流曲線

表3 線纜不同擺放位置仿真結(jié)果

采用圖2線束布置位置仿真后各線纜上感應(yīng)電壓如圖9所示，感應(yīng)電流如圖10所示。對圖9和圖10中電壓和電流進行匯總，見表3。

圖9 各線纜上感應(yīng)電壓曲線

圖10 各線纜上感應(yīng)電流曲線

通過表3數(shù)據(jù)分析可以看出，以單根線模擬激勵源，電壓為24 V時，屏蔽雙絞線和同軸線上感應(yīng)到的電壓遠(yuǎn)小于單根線和雙絞線上感應(yīng)到的電壓。當(dāng)單根激勵源線纜上的電流為0.3 A時，屏蔽雙絞線、雙絞線、同軸線上感應(yīng)到的電流遠(yuǎn)小于單根線纜上感應(yīng)到的電流。

圖2中的擺放位置是將圖1中單根線和屏蔽雙絞線進行了位置互換，模擬線束與干擾源在不同距離時感應(yīng)到的電壓和電流大小。單根線按圖1仿真時距離激勵源5 cm，感應(yīng)電壓為1 V，按圖2時距離激勵源20 cm，感應(yīng)電壓為0.01 V，減小了100倍；感應(yīng)電流也由圖1的0.2 A減小到圖2的0.003 2 A，減小了100倍。屏蔽雙絞線按圖1仿真時距離激勵源20 cm，感應(yīng)電壓為0.002 5 V，按圖2仿真時距離激勵源5 cm，感應(yīng)電壓為0.045 V，增大了18倍；感應(yīng)電流也由圖1的4*10-16A增大到1*10-15A，增大了2.5倍。在圖1和圖2中，同軸線和雙絞線位置相對激勵源沒有變化，因此仿真后電壓和電流大小也沒有變化。

通過串?dāng)_仿真我們發(fā)現(xiàn)，在同一個干擾源下，屏蔽線束（如屏蔽雙絞線、同軸線）感應(yīng)到的串?dāng)_電壓和電流小于非屏蔽線束（如雙絞線、單根線）；距離干擾源越近，感應(yīng)到的串?dāng)_電壓和電流越大。

3.2 抗擾性仿真

抗擾性是指器件、設(shè)備或系統(tǒng)在電磁騷擾存在時，不降低性能運行的能力。通過模擬單根線纜、同軸線、雙絞線、屏蔽雙絞線在遇到外部強電磁環(huán)境時線纜上感應(yīng)到的電壓和電流大小評估各種線纜的抗干擾性。圖12~圖13為仿真建模及線束布置圖，本實例模擬一個GJB 151B《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》中RS105試驗時使用的50 kV雙指數(shù)電磁脈沖（EMP）波形，見圖11所示。

圖11 50 kV EMP雙指數(shù)波形

圖12 SPICE建模

圖13 干擾源和線束建模

50 kV EMP 電磁脈沖通過垂直方向?qū)?4種線纜進行照射，圖14為仿真電壓曲線，圖15為仿真電流曲線，匯總表格見表4。從表4可以看出，同軸線和屏蔽雙絞線上感應(yīng)到的電壓和電流小于單根線纜和雙絞線。將電磁脈沖以一定角度對4種線纜進行照射，同樣可以得出同軸線和屏蔽雙絞線上感應(yīng)到的電壓和電流小于單根線纜和雙絞線的結(jié)論。

圖14 抗擾電壓仿真曲線

圖15 抗擾電流仿真曲線

表4 線纜在EMP波形下仿真結(jié)果

通過對線纜的串?dāng)_仿真和抗擾性仿真可以得出如下結(jié)論：

1）非屏蔽線束（如雙絞線、單根線）受串?dāng)_影響大于屏蔽線束（如屏蔽雙絞線、同軸線）；

2）屏蔽線束（如屏蔽雙絞線、同軸線）抗干擾性優(yōu)于非屏蔽線束（如雙絞線、單根線）。

4 設(shè)計應(yīng)用及試驗

4.1 線束設(shè)計應(yīng)用

根據(jù)仿真結(jié)果建議，某型車在零部件和整車的設(shè)計開發(fā)過程中，儀表、各控制器之間的 CAN總線采用屏蔽雙絞線設(shè)計，雙絞線為黃綠雙色，CAN_H為黃色，CAN_L為綠色，見圖16所示。車輛底盤在車架兩側(cè)分開布線并根據(jù)信號類型適當(dāng)調(diào)整布線間距，減小線間串?dāng)_。某型車輛車架線束布置見圖 17所示，左側(cè)為發(fā)動機變速器線束，右側(cè)為控制器，ABS等線束。

圖16 CAN屏蔽線束

圖17 車架線束布置圖

4.2 整車及零部件試驗

通過對整車和儀表的抗擾性試驗分析，整車和儀表工作正常。各信號工作、顯示正常。圖18為儀表和整車試驗照片。儀表線束包含有 CAN總線、電源線、指示燈線等互連線。儀表通過CAN線與控制器通信，儀表CAN總線為屏蔽雙絞線。試驗在電波屏蔽暗室中進行，試驗時儀表進行了正面和反面兩個方向的測試，CAN信號在試驗過程中數(shù)據(jù)穩(wěn)定，儀表CAN指示符顯示正常，未出現(xiàn)斷開和錯誤報警故障。

圖18 整車及零部件抗擾性試驗照片

5 結(jié)論

本文通過仿真不同種類線纜并變換線纜擺放位置再次仿真，驗證了串?dāng)_對線束的影響與空間布置位置和線束種類有很大關(guān)系，證明了非屏蔽線束受到串?dāng)_的影響大于屏蔽線束；通過模擬外部干擾源對線束進行干擾的仿真，驗證了屏蔽線束的抗干擾特性優(yōu)于非屏蔽線束。通過儀表及整車以 CAN總線為代表的屏蔽線設(shè)計為例進行了測試驗證，車輛和儀表在受到干擾后工作正常，證明了仿真結(jié)果的正確性，同時證明了電磁仿真在設(shè)計中的重要作用，可為新產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計提供理論依據(jù)。