基于加速壽命試驗的電磁兼容特性研究

李研強 李明強

（1.山東省科學院自動化研究所，山東 濟南 250014；2.山東省汽車電子技術重點實驗室，山東 濟南 250014）

0 引 言

隨著汽車電子行業(yè)不斷發(fā)展，汽車電子產品的應用日益廣泛，與汽車電子產品電磁干擾相關的可靠性問題也逐漸受到重視。為提高汽車電子產品電磁兼容性能，國內和國際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[1-2]。隨著近年來ISO 26262標準的進一步普及，汽車行業(yè)對全壽命EMC的研究更加重視。Shin等[3-4]從功能安全的角度探討了ISO 26262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。但是按照現有標準，通過所有的EMC測試，也不能保證產品在使用壽命期限內EMC的性能，因為現有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問題。Armstrong[5]的研究表明，隨著使用時間的增加，特別是受外部環(huán)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(fā)生諸如對外輻射超標、電源耐受性降低等變化。

近年來，國外已有學者將電子元器件的壽命與電磁兼容理論結合。Boyer等[6]對集成電路的電磁輻射進行壽命加速老化前后的對比實驗，發(fā)現其電磁兼容特性發(fā)生明顯改變。Li等[7]對鎖相環(huán)電路在壽命加速老化前后的EMC特性做了對比，發(fā)現電路的抗干擾特性明顯降低。本文參考文獻[8]提出的汽車電子產品的加速壽命試驗與電磁兼容測試方法，進行汽車電子產品全壽命電磁兼容測試。

1 汽車電子產品全壽命電磁兼容測試方法

1.1 研究對象

本文的研究對象是一款汽車報警器產品，該報警器的功能框圖如圖1所示，其中功能電路為主芯片（PIC18F2480）、CAN 總線物理層芯片（TJA1054）、PWM驅動電路（MMBT5551）、開關量檢測電路（MMBTA92）、電源管理模塊（LM9076），而蜂鳴器在測試期間由4Ω電阻代替。

1.2 加速壽命試驗方法

圖1 實驗樣品功能框圖

加速壽命試驗采用加速應力來進行產品的壽命試驗，從而縮短了試驗時間，提高試驗效率，降低試驗成本。報警器的加速壽命試驗方法施加的加速應力為電壓。報警器的正常工作電壓為12V，實際施加的加速電壓為15V。

通過對實驗樣品功能電路進行分析，發(fā)現輸入電壓經電源管理模塊分壓為芯片、總線和PWM驅動供電。由于電源管理模塊的輸入電壓范圍為8～16V，因此不論工作電壓為12V，或是加速電壓為15V時，都不會影響芯片、總線和PWM模塊的功能。因此，加速電壓不會在短期內造成防盜報警器功能的損傷，可以將加速電壓作為加速應力使用。

加速壽命試驗分為若干階段進行。首先以8 h作為一個階段進行加速壽命試驗，加速壽命試驗期間監(jiān)測報警器的電性能（如電流、端電壓等），8h結束后測量報警器的電磁兼容性能變化，然后再進行8h加速壽命試驗，測量電磁兼容性能變化，以此類推，直至產品失效或電磁兼容測試未通過，試驗結束。

1.3 電磁兼容測試方法

汽車電子產品電磁兼容性測試項目在相關國際（如 ISO 11452）、國家（如 GB/T 18655）和企業(yè)標準（如GMW 3097）中都有詳細介紹，常見項目包括輻射發(fā)射、傳導發(fā)射、大電流注入、自由場和靜電放電等，其中傳導發(fā)射測試用于驗證電子產品是否會影響外部設備的廣播通信。本文選擇電源線傳導發(fā)射測試作為比對項目。

本文傳導發(fā)射測試的依據為CISPR25：2008，測試方法為電壓法，測試限值選擇汽車電子產品常用的等級3，測試線束類型為電源線，電源線長度為40cm，測試現場布置滿足CISPR25：2008的要求。測試設備包括接收機、電源阻抗穩(wěn)定網絡（LISN）和EMC32測試軟件，所有設備均已通過校準。

圖2 加速壽命試驗前報警器傳導發(fā)射-電壓法電源線噪聲

報警器傳導發(fā)射-電壓法電源線噪聲曲線如圖2所示，平均值和峰值均低于CISPR 25：2008等級3的限值要求，證明報警器在當前情況下不會通過汽車上的導線、公共阻抗、供電電源等途徑影響其他產品在移動廣播頻段的通信。

2 加速壽命試驗的電磁兼容測試結果

第1階段加速壽命試驗期間電性能幾乎沒有變化，試驗結束后電磁兼容性能與進行加速壽命試驗前進行比較，如圖3所示。150 kHz～1MHz頻段電磁兼容性能降低約0.5 dBμV，1～3 MHz頻段電磁兼容性能變差，在1.805MHz峰值出現6dBμV增量，3～8MHz頻段電磁兼容性能變好，8～108 MHz頻段電磁兼容性能變差，其中30～108MHz峰值普遍出現較為明顯的增大，且在52.85MHz出現6.2dBμV的增量。

圖3 第1次加速壽命試驗前后傳導發(fā)射結果比較

在第2組加速壽命試驗期間電性能仍無變化，試驗結束后未進行電磁兼容性能測試。

進行第3組加速壽命試驗測試期間，報警器蜂鳴器上通過的電流出現6%左右的變化。加速壽命試驗結束后立刻進行第2次電源線傳導發(fā)射測試，結果電源線傳導發(fā)射噪聲峰值在50.8～52.15MHz頻段超出CISPR25：2008等級3的峰值限值，如圖4所示。

對3次電源線傳導發(fā)射測試的結果進行比較，如圖5所示，從1～108 MHz峰值和平均值都出現較為明顯的增大。

通過本次試驗表明，在實驗對象使用壽命期限內，隨著產品使用時間的延長，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。這從實驗角度證明對汽車電子產品全壽命電磁兼容進行測試分析是有價值的。

圖4 電源線傳導發(fā)射噪聲峰值超出限值曲線

圖5 3次電源線傳導發(fā)射測試結果曲線比較

3 分析與改進

對報警器電路模塊進行分析后發(fā)現如圖6所示的報警器蜂鳴器控制模塊電流值偏大，且在PWM驅動電路控制下，開關動作較多，其變化最可能引起電磁兼容性能的退化。以下是對蜂鳴器控制模塊的詳細分析。

其中，VEE正常工作電壓為12V，加速壽命條件下為15V；PWM模塊輸入電壓范圍為8～16 V，輸出信號與VEE無關，輸出信號周期為1.36ms，高電平為1.8 V，持續(xù)時間為0.44 ms，低電平為-2.4 V，持續(xù)時間為0.92 ms；R1在測試時采用4 Ω電阻，實際應用時使用驅動電壓為1.5～15 V的蜂鳴器；R2為阻值500kΩ電阻；T3和T6是兩個NPN晶體管，組成一個電流放大電路，在PWM模塊輸出信號的作用下，起開關作用。

當PWM驅動信號電壓穩(wěn)定為低時，如表1所示，T3晶體管Vbe＜0，T6晶體管Vbe小于開啟電壓0.6V，兩個晶體管均處于截止狀態(tài)，內阻趨向于無限大。

因此電流走向如圖6中紅色圓圈所示。此時蜂鳴器電阻分壓為

表1 PWM驅動電壓為低電平時，晶體管狀態(tài)

圖6 蜂鳴器控制模塊原理示意圖

當工作電壓為12V，模擬蜂鳴器的電阻R1上分擔的電壓值為96mV，與示波器測得的0.1V相符。當加速電壓為15V，模擬蜂鳴器的電阻R1上分擔的電壓值為120mV，與示波器測得的0.11V相符。此時如果使用實際的蜂鳴器，蜂鳴器上的電壓遠遠低于其最低驅動電壓1.5V，此時蜂鳴器不發(fā)出聲音。

當PWM驅動信號電壓從負電壓向正電壓轉換時，T3晶體管首先進入開啟狀態(tài)，然后驅動T6晶體管。當PWM驅動信號電壓穩(wěn)定為高時，如表2所示，T3和T6均進入飽和狀態(tài)，電流進入綠色線圈所示狀態(tài)。

當工作電壓為12V時，用DPO 4104示波器測R1兩端的電壓為10.4V。當加速電壓為15V時，測量R1兩端的電壓為13.5V。因此，當驅動電壓為高電平時，蜂鳴器均可以被驅動，發(fā)出聲音。

結合上述分析可以發(fā)現，隨著加速壽命實驗的進行，報警器功能狀態(tài)保持正常。但隨著加速電壓的使用，導致晶體管上PN結電壓明顯增加。結端勢壘的抬高，使得電場增大，載流子流速加快，進而引起載流子間散射變化，逐漸在晶體管中引入損傷。隨著加速壽命時間增多，晶體管微觀損傷累積，最終造成了報警器電磁兼容性變差。

表2 PWM驅動電壓為高電平時，晶體管狀態(tài)

為改善電磁兼容性能，可將T3和T6晶體管進行兩個改進：1）在T6晶體管對地端增加一個1 nF左右的電容，以將尖峰電壓導入地端；2）在T3集電極端和T6基極之間增加一個10Ω左右的電阻，防止PWM信號為負時出現的高阻態(tài)浮空現象，并起一定的限流作用。

4 結束語

本文以防盜報警器為例，進行了電壓加速壽命期間傳導發(fā)射測試，是一種典型的全壽命電磁兼容測試方法。本文以實際實驗證實，汽車電子產品在使用壽命期間，電磁兼容性能會發(fā)生不利變化，進而影響汽車安全性能。因此全壽命電磁兼容測試方法有利于保證汽車電子產品的全壽命安全與可靠性。

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