車輛及零部件輻射發射分析與設計

2018-06-01 06:45:57林森陳博凱張志鵬

汽車實用技術 2018年10期

關鍵詞：設計

林森，陳博凱，張志鵬

（陜西重型汽車有限公司，陜西西安 710200）

前言

如今汽車（傳統汽車、電動汽車、無人車）上大量電子電器設備的應用，集成了各類電機控制器，傳感器，多媒體設備，監控設備，造成車內系統之間以及車輛對外電磁輻射升高，整車電磁兼容惡化。例如，某款車載的多媒體設備，導航儀和倒車雷達集成裝置經常出現死機現象；某電動車在電臺或者信號發送區域的故障率明顯增加；某款車儀表在停車狀態下車速指針出現擺動等現象。以上問題在車輛現場是無法直接解決的，需要通過專用儀器設備進行排查，這是一個耗時耗力的過程，有可能持續幾個月的時間，直接導致車輛定型或上市時間延遲。這些問題的根源就是沒有系統的進行電磁兼容設計與驗證。

電磁兼容的英文名稱為“Electromagnetic Compatibility”，通常用“EMC”來表示。GB/T 4365-2003中對電磁兼容給出了專業的定義：設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。電磁現象看不到摸不到卻無時無刻不在我們身邊發生。本文列出了車輛及零部件需要通過哪些法規測試以及法規之間的橫向比較，引出電磁兼容設計需考慮的因素，總結車輛設計要求，通過實車試驗證明了設計思路的正確性，為新車型開發提供了設計依據。

1 整車及零部件法規要求

對車輛法規的了解是進行車輛設計的前提，目前車輛法規類標準分為民品和軍品兩類，在民品車輛里既有傳統車型也有最新電動車類標準，見下表1統計所示。

表1 車輛法規標準

不管是民用車輛還是軍用車輛，在測試方法上大致相同，由于軍、民車輛在使用環境上的差異導致法規限值的曲線及限值不同，但在設計思路和方法上是一致的，通過試驗數據比對，民用車輛零部件輻射發射在Level3級水平或以上將減少整車發射失敗的概率，民用車輛的Level4或Level5級在某些頻段近似軍用車輛的等級標準。在零部件開發成本可控的前提下對零部件的試驗等級盡量提高要求以增加整車試驗的通過概率。

特別強調的是GB 34660從2018年1月1日開始實施，參考了ECE R10.3版本內容，車輛在認證時除了做輻射發射外，還增添了輻射抗擾相關內容，增加了通過難度。

2 系統電磁兼容設計

2.1 輻射發射特性

輻射發射是指以電磁波的形式通過空間傳播電磁噪聲能量的過程，電氣電子設備工作時產生的伴隨電磁輻射是一類主要的干擾源，這種輻射并不是設備為了完成預定功能而必須發射的，而是設備在正常工作過程中產生的意外發射，它是產品輻射發射超標的主要源頭，所有電子設備必須盡量消除這種伴隨發射。

圖1 左側為電流環天線右側為電偶極天線

為了消除這種輻射發射，必須了解電磁輻射的條件。電磁波輻射的兩個必要條件是天線和流過天線的交變電流，電子設備之所以會產生輻射干擾，是因為電子設備中包含了各種寄生天線，只要消除寄生天線或降低了這些天線的輻射效率或避免交變電流進入這些天線，電磁輻射將會大幅減小。因此控制輻射干擾源的過程就是分析寄生天線，消除寄生天線以及控制天線輻射的過程。兩個基本的天線結構是電流環和電偶極如下圖1所示。

根據觀測點到輻射源的距離，將區域分為近場區和遠場區。假定觀測點到輻射源的距離為 D，將 D＜λ/2π的區域稱為近場區，將 D＞λ/2π的區域稱為遠場區。λ/2π附件區域稱為過渡區。阻抗與距離的關系如下圖2所示。

圖2 電流環天線和電偶極天線的波阻抗

1）如果 Z≥7.9Df（D的單位為 m，f的單位為 MHz）則E=VA/4πD3（uV/m）式中：E電路輻射的電場強度（uV/m）；V為驅動源的電壓（V）；A為電路的面積（cm2）；D為觀測點到電路的距離（m）。

2）如果Z≤7.9Df（D的單位為m,f的單位為MHz）則E=63IAf/D2（uV/m）式中：E為電路輻射的電場強度（uV/m）；I為電路中的電流（A）；f為電流的頻率（MHz）；A為電路的面積（cm2）；D為觀測點到電路的距離（m）。

由輻射發射原理我們可以看出輻射能量與電流，電壓，頻率，環路面積，距離有直接關系，由此設計時要關注這些量的變化對結果的影響。

2.2 濾波器件的阻抗頻率特性

在PCB板級EMC設計中常用的濾波器件有很多種類，包括電阻、電感、電容，鐵氧體磁珠等。

表2為基本元器件的頻率阻抗特性，從圖中可以看出高低頻差異明顯不同。

表2 頻率阻抗特性圖

通常在設計電路時重點關注的是低頻情況下元件的特性，隨著時鐘，芯片工作頻率的提高，小空間多芯片PCB的設計越來越復雜，在某些高速板的設計過程中如果沒有考慮到元器件的高頻特性，在功能實現上都會出現問題。因此在開始設計過程中就應考慮到元件的射頻特性。

電容、電感元件在設計過程中被經常使用，電容的容抗Z=1/2πfc，電感的感抗 Z=2πfl，在諧振頻率之前，容抗隨頻率增加而減小，感抗隨頻率增加而增大，在高頻下這是我們使用的特性。而在諧振頻率之后，電容表現為感性，電感表現為容性，電感和電容將失去原有特性，濾波能力將大打折扣，因此在使用這些元器件時需關注其諧振頻率f=1/2π√LC。以上這些基礎概念貫穿于整個設計過程中但也常常被忽略.在板級及系統級設計過程中應時刻掌握影響輻射發射的關鍵因素。

2.3 屏蔽、接地、濾波三大手法的應用

EMC設計的三大手法，屏蔽、接地、濾波在各種書籍中均有提到，如何將理論靈活應用在車輛整體設計或某個分系統上是一個艱難的過程，整車線束和零部件一旦布置捆扎好，后期試驗過程中發現問題時變線束或變動零部件位置方面將非常困難，因此在設計初期除了考慮通過法規要求外還須根據車輛實際使用的環境選擇一種性價比高的電磁兼容設計方案。表3在設計時必須得到處理。

表3 設計要求

3 設計整改案例

3.1 零部件試驗

1）火焰預熱控制器在設計之初并未進行電磁兼容性考核，裝在駕駛室后在工作時會影響到車輛電臺的通話質量，測試后發現單體并未達到限值要求，測試結果如圖3所示。

圖3 30MHz-200MHz測試曲線

通過數據分析是晶振選型以及PCB設計不合理導致。由于PCB設計者只考慮功能實現，并未有EMC方面的知識，導致PCB沒有考慮EMC和Safety，實車使用過程中多次出現損壞現象，需經常更換備件，PCB板走線和元器件擺位不合理已無法進行整改。因此重新設計PCB并對元器件進行選型，合理分割地平面，新樣品一次合格，測試結果如圖4所示。

圖4 30MHz-200MHz測試曲線

通過原理及PCB合理設計，新樣品在成本上并未增加多少，但可靠性卻大幅提高。樣品試驗照片如圖5所示。

圖5 樣品試驗照片

2）車輛組合儀表在輻射發射測試時發現輻射超標，打開儀表后蓋發現儀表殼體在噴漆時沒有對結合處進行保護，也作了噴漆處理，導致殼體兩個接觸面表面上看起來是接觸的，其實是絕緣的，整個殼體相當于有60cm長的一條縫隙，導致殼體內輻射通過縫隙泄露，并未達到殼體屏蔽的作用。儀表的線束插頭針腳未做濾波處理以及線束走線沒有進行捆扎耦合了芯片的能量，導致對外輻射超標嚴重，圖6為測試超標曲線。