汽車電子產品全壽命電磁兼容測試方法

李研強，張曉芳

(山東省科學院自動化研究所,山東省汽車電子技術重點實驗室，山東 濟南 250014)

汽車電子產品全壽命電磁兼容測試方法

李研強，張曉芳

(山東省科學院自動化研究所,山東省汽車電子技術重點實驗室，山東 濟南 250014)

目前，對汽車電子產品的電磁兼容測試主要集中在新產品研發階段。本文提出了一種汽車電子產品全壽命電磁兼容測試方法，通過建立測試模型、退化模型及驗證模型，進行了加速壽命試驗。試驗結果表明，在產品使用壽命期限內，隨著使用時間的延長，電磁兼容性能逐漸變差，在某個階段會超出電磁兼容測試標準的限值要求，進而影響到整車的電磁兼容性。該研究對提高我國汽車電子產品的可靠性、安全性以及電磁兼容水平具有理論及實踐意義。

汽車電子；全壽命；電磁兼容；測試模型

隨著汽車電子行業的不斷發展，汽車電子產品的電磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)可靠性逐漸受到業界的重視。 開展汽車電子產品的電磁兼容性研究，能夠提高國產汽車的整體水平[1]。目前，國內外各大汽車制造廠均已根據自己的經驗制定了不同的EMC標準。美國福特汽車公司制定了汽車電子產品EMC的規范[2]，其他歐美公司汽車企業也有相應的技術要求。Deb[3]研究了當前國際上EMC測試標準的發展趨勢，認為此標準還在不斷地發展和完善中。近年來，道路車輛功能安全ISO26262標準[4]得到了進一步地普及，汽車行業對全壽命EMC的研究更加重視。Shin等[5-7]從功能安全的角度探討了ISO26262對EMC測試的影響，特別指出汽車電子產品在全壽命周期內EMC的重要性。

業界普遍認為汽車電子產品滿足相關EMC標準后，由于EMC引起的產品失效會大大降低。但從已有的ECER10、SAEJ551、SAEJ113等EMC標準的內容來看，這些標準只是對EMC測試的細節，諸如測試環境、測試步進、測試現場布置、測試結果判斷等進行了詳細的定義，并未對被測件的狀態進行要求，也就是說目前這些標準定義的EMC測試只是某個時間點上的測試，并未考慮某段時間之后的EMC特性。Armstrong[8]的研究表明,隨著使用時間的增加，特別是受外部環境如溫度、濕度、振動等應力的影響，汽車電子產品的EMC特性將會發生諸如對外輻射超標、電源耐受性降低等變化。因此，即使通過了所有的EMC測試，也不能保證產品在使用壽命期限內EMC的可靠度，其中一個重要的原因是現有的EMC測試并沒有考慮隨著使用時間的延長，導致汽車電子產品EMC性能改變而引起的可靠性降低的問題。因此，本文通過建立基于加速壽命試驗的EMC測試模型，實現了對汽車電子產品的全壽命EMC測試。

1 汽車電子產品全壽命EMC測試方法的建立

汽車電子產品的全壽命EMC測試方法包括測試模型、退化模型及驗證模型三部分。測試模型是該方法研究的整體流程，退化模型是研究汽車電子產品全壽命EMC測試過程中的EMC退化影響因子，驗證模型是通過不斷地循環測試而得到可靠的工程化測試方法。

圖1 汽車電子產品全壽命EMC測試模型Fig.1 EMC testing model of whole life-cycle of automobile electronic products

1.1 汽車電子產品全壽命EMC測試方法的建立

在汽車電子產品的壽命周期內，關鍵芯片(如CMOS)會被如電遷移、柵氧化層崩潰、熱載流子注入等內在失效機制所影響，這些影響因素包括了環境應力(高低溫、濕度、振動)和電應力(過電、電脈沖、靜電)等。加速壽命試驗通過高水平應力(如高溫、高電壓)在短時間內加速器件的損壞。如果已知電子產品加速應力對應的加速因子，以及加速應力條件下產品的壽命，就可以利用阿倫尼烏斯定律(Arrhenius Law)等得到普通應力下產品的正常使用壽命。

本文采用阿倫尼烏斯定律與實驗研究相結合的方法，建立汽車電子產品全壽命EMC測試模型，如圖1所示。該方法通過比對被測對象在自然應力和實驗室中施加的環境和電應力前后的EMC特性(如：空間輻射、傳到輻射、大電流注入)，確定環境與電應力對EMC變化的關系。通過對被測件表征參數的測量，如電壓、電流、頻率等參數變化，確定該參數與EMC的特性相關聯，從而確定環境或電應力正交壽命試驗的方案。

通過同時比較實際使用與實驗室模擬使用三年的汽車電子產品EMC特性變化情況，確定關鍵頻點和幅值。根據兩次比較結果修正EMC性能退化模型，計算EMC性能退化軌跡，采用多屬性決策和模糊神經網絡的方法修訂各參數對EMC特性的影響關聯度，并對環境以及電應力正交加速壽命試驗進行優化。

任何類型的加速應力都可能加速產品的失效，但只有在失效機理保持一致時，不同的加速試驗才具有可比性。因此在設計加速應力試驗時，需要首先分析不同應力及相同應力不同等級下的失效機理，才能設計出正確的正交試驗設計方案并優選產品的關鍵表征參數，得到高效、快速、經濟、具有代表性的加速壽命正交試驗結果。結合當前電子產品可靠性提高的背景，加速壽命正交試驗不要求產品完全失效，只需產品的關鍵參數產生一定量的退化，就可以影響EMC的特性變化。

1.2 EMC性能退化模型

為了更好地研究全壽命EMC的測試方法，需要建立EMC的性能退化模型。通過分析壽命試驗前后的EMC特性，將幅度和頻率作為主要的參數，分析影響EMC性能退化的因子。利用信號與噪聲加干擾之比和干擾源對敏感體的干擾效應度量標準對試驗前后的EMC性能進行分析和評價，從而建立EMC性能退化模型，如圖2所示。

圖2 EMC性能退化模型Fig.2 Degradation model of EMC

EMC的測試結果主要表現在頻率和幅值上，而這兩個值是和電子產品的物理組成密切相關的。如果電子產品的物理特性發生了變化，那么在EMC測試結果中的頻率或者幅值上將會有變化。但是，如何通過確定EMC的測試變化與被測件物理特性變化之間的關系還沒有明確的理論。因此，本文提出的EMC性能退化模型只是定性分析兩者變化之間的關系，沒有給出兩者之間的精確定量分析。但是該模型可以滿足對全壽命EMC測試方法的研究。

1.3 全壽命EMC測試驗證模型

通過多次試驗優化，采用多變量灰色關聯模型及特征選擇驗證模型，驗證全壽命EMC測試方法，建立實驗室環境下汽車電子產品全壽命EMC特性與實際產品EMC特性的評價驗證機制，從而實現具有實用價值的系統級汽車電子產品全壽命EMC測試與驗證模型，如圖3所示。該模型主要提供用于本文提出的測試方法的驗證，最終目的是提出實用化的全壽命EMC測試方法，將該方法進行工程化簡化。

圖3 全壽命EMC測試驗證模型Fig.3 Verification model of whole life-cycle of EMC testing method

2 實驗結果

研究對象采用汽車報警器產品，于2006開始研發、2008年量產裝車，自2008年以來已累計裝車40余萬套，在此過程中積累了大量的測試數據和故障分析數據，為本研究提供了寶貴的資料。該產品的功能框圖如圖4所示，虛線框內的5部分為在汽車電子行業中具有較強代表性的功能電路， 即主芯片(PIC18F2480)、CAN總線物理層芯片(TJA1054)、PWM驅動電路(MMBT5551)、開關量檢測電路(MMBTA92)和電源管理模塊(LM9076)。通過對這5部分電路分別施加電應力，觀察電路的EMC變化特性。

研究對象在壽命試驗前后分別參考相應的國際標準進行RE、CE、BCI(閉環法)3項EMC測試，因為3項測試均可以通過EMC32軟件得到具體數據，方便進行壽命試驗前后數據的對比。在參考AEC-Q100系列標準的基礎上，通過分析現有的加速壽命機理，分別依照正交法確定的環境應力和電應力試驗方案，利用實驗室現有的環境和電應力測試設備對樣品進行加速壽命試驗 。

在試驗過程中的各種誤差和干擾是不可避免的，為了消除誤差，本文采用多樣品和進行多次測量的方法，并通過數理統計評價各種測量值以進行修正。通過概率法確定干擾概率、頻率重疊概率、時間重疊概率、空間重疊概率等干擾因素，并加以去除。

圖4 試驗樣品功能框圖Fig.4 Functional block diagram of sample

將加速壽命試驗應用于全壽命EMC測試時，可將試驗分為若干階段進行。首先以8 h作為一個階段進行試驗，試驗期間要監測報警器的電性能(如電流、端電壓等)，8 h結束后測量報警器的EMC性能變化；然后再進行8 h加速壽命試驗，再測EMC性能變化，以此類推，直至產品失效或EMC測試未通過，試驗結束。本文對測試樣品3次電源線傳導發射測試的結果進行比較，如圖5所示，其中No.0是加速壽命試驗前被測件電源線上傳導發射的平均值和峰值的EMC測試結果；No.1是第一組加速壽命試驗后的測試結果；No.2是第二組的測試結果。通過比較分析No.0與No.1兩條曲線可以明顯看出，0.15 MHz～1 MHz頻段EMC性能降低約0.5 dB·μV；1 MHz～3 MHz頻段EMC性能變差；在1.805 MHz 頻段峰值出現6 dB·μV的增量；3 MHz～8 MHz頻段EMC性能變好；8 MHz ～108 MHz頻段EMC性能變差。其中30 MHz～108 MHz頻段峰值普遍出現較為明顯的增大，且在52.85 MHz頻段出現6.2 dB·μV的增量。比較No.0與No.3曲線可以發現，EMC的特性更加惡化，并在30 MHz～100 MHz頻段超出EMC測試標準的限值要求，進而影響到整車的電磁兼容性。

圖5 3次電源線傳導發射測試結果曲線比對Fig.5 Comparison of results of three times power line transmission

3 結論

通過建立全壽命EMC測試模型、退化模型及驗證模型，闡述了汽車電子產品的全壽命EMC測試方法。通過實驗驗證，證明了汽車電子產品在經過壽命試驗后的EMC特性將惡化，因此全壽命EMC測試方法對于保證汽車電子產品的安全與可靠性是非常必要的。本文提出的測試方法，對提高我國汽車電子產品的可靠性、安全性以及EMC水平具有重要的理論及實踐意義。但是該方法還需要由定性分析轉變到定量分析，在后續工作中將重點分析壽命試驗與EMC特性變化之間的定量關系，完善相關的理論體系。

[1]徐立. 我國汽車電磁兼容技術發展狀況[J].安全與電磁兼容，2003(1):35-37.

[2]Ford Motor Company. Electromagnetic Compatibility Specification For Electrical/Electronic Components and Subsystems[EB/OL].[2016-03-02].http://www.fordemc.com/docs/download/FMC1278.pdf.

[3]DEB G K. Present global trend on EMC[J]. Iete Technical Review, 2015, 16(3/4):311-316.

[4]21ic.道路車輛功能安全ISO26262標準[EB/OL]. [2016-03-02].http://dl.21ic.com/download/code/-iso26262-pdf-ic-105570.html.

[5]SHIN J, CHUNG Y, CHOI J. Management plan on EMC for functional safety of the ISO26262[J]. Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering & Science, 2014, 25(10):1020-1027.

[6]KADO R, NELSON J J, TAYLOR W. Impact of Functional Safety on EMC: ISO 26262[EB/OL].[2016-01-02].http://dx.doi.org/10.4271/2013-01-0178.

[7]郭遠東, 王春霞. ISO 26262 對汽車電子產品EMC 的影響[J]. 安全與電磁兼容, 2014，32(2):51-54.

[8] ARMSTRONG K. Specifying life-cycle electromagnetic and physical environments-to help design and test for EMC for functional safety[M]// International Symposium on Electromagnetic Compatibility. [S.l.]:IEEE,2005.

Whole life-cycle EMC testing method for automotive electronic products

LI Yan-qiang ， ZHANG Xiao-fang

(Shandong Provincial Key Laboratoty of Automotive Electronics Technology,Institute of Automation， Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014，China)

∶So far much of the EMC testing of automobile electronic products was centered on the new product development stage. An EMC test method of whole life-cycle of automobile electronic products was proposed in this work. The accelerated life testing was carried out by establishing testing model, degradation model and verification model. Results reveal that in the product life span, EMC performance becomes worse with the prolonged time of use, and will exceed the EMC standards limits at some stage, which could have an adverse impact on the electromagnetic compatibility of the vehicle. This work has theoretical and practical significance to improve the reliability, security, and electromagnetic compatibility of automobile electronic products in China.

∶automobile electronic； whole life-cycle；electromagnetic compatibility；testing model

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.02.020

2016-06-02

山東省科學院自然科學基金(201510015)

李研強(1977—)，男，副研究員，研究方向為電磁兼容與汽車主動安全。E-mail：liyq@sdas.org

U463.6

A

1002-4026(2017)02-0133-06