線束屏蔽失效方式及可靠性研究

歐文軍 方成 王宇 姚旭東

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司）

隨著汽車電動化、智能化、網聯化和共享化進程不斷推進，整車通訊回路數量和數據傳輸頻率持續增大。復雜的回路網絡會對周圍環境釋放大量的電磁信號，回路信號傳輸頻率的提高又使得釋放的電磁信號強度增大，整車電磁干擾問題日益嚴重。線束作為信號傳遞的載體，屏蔽失效問題尤為突出。大量整車屏蔽失效數據表明，線束的屏蔽失效已成為整車電磁干擾問題的最重要組成部分[1]。但整車線束電磁屏蔽失效干擾源眾多，干擾方式各異，這導致對整車干擾失效問題調查困難重重。基于以上問題，該文對線束屏蔽失效的方式進行了歸納總結，并提供了降低線束屏蔽失效的工作方法，提高了線束設計可靠性，對線束屏蔽失效問題的解決有一定的指導意義。

1 線束屏蔽失效方式

1.1 整車線束電磁屏蔽

屏蔽性能良好有2方面的意思，其一是系統不對外釋放對其他系統產生影響的電磁波，其二是系統本身不受外部電磁場影響。屏蔽失效的發生有3要素，即干擾源、耦合路徑和敏感設備[2]，如圖1所示。整車上的干擾源主要包括點火系統、逆變器、繼電器等能對外發出電磁信號的設備。耦合路徑由空氣和整車回路2部分組成，電磁波在耦合路徑中傳遞。敏感設備則是容易被干擾的對象。線束系統比較特殊，線束既可以是傳導耦合的載體，又是容易被干擾的設備，因此對線束電磁屏蔽的研究意義重大。

圖1 屏蔽失效3要素

線束作為傳導耦合干擾的重要傳播途徑，各種電子設備在工作過程中產生的電磁干擾信號通過線束傳導直接進入敏感設備，或者經過容性耦合或感性耦合進入線束中的控制回路和信號回路。線束與線束之間也會產生耦合，這使得導線的電磁兼容問題更為復雜。線束是效率很高的電磁波接收天線，線束周圍空間的電磁波能直接耦合到線束上，然后再通過傳導耦合進入敏感設備。同時，導線內部信號的變化能產生電磁波并向外發射，引發整車屏蔽失效問題。

1.2 線束屏蔽失效方式

整車線束屏蔽失效的方式主要有3種，控制器局域總線（CAN）故障引起的報碼、視頻信號的異常和控制回路異常。

1.2.1 CAN總線報碼

傳統點對點的通訊連接方式要求每對通訊節點間有一根單獨的回路。而隨著整車電控單元的增加，整車線束越來越復雜，繼續使用傳統的點對點通訊方式會使得整車成本和質量越來越高。為解決這個問題，車載網絡應運而生。在眾多車載網絡中，CAN以其獨特的設計、優異的性能和極高的可靠性得到了最為廣泛的應用[3]。

由于整車空間限制，CAN總線常常與其他線束綁在一起布線，這樣的布線方式讓CAN總線極易受到電磁干擾。CAN總線受電磁干擾后由于信號不符合協議定義會導致模塊報碼。常見CAN總線的屏蔽失效主要表現形式有信號延遲、幅值變化、信號跳變、時序錯亂等[4]。信號延遲是指CAN接收器接收信號的時間大于CAN總線協議定義時間。當時鐘頻率提高后，總線負載過高，出現類似“堵車”現場，信號傳輸速率下降。同時，線束過長也會導致信號延遲。幅值變化是指電流或者電壓信號被外部電磁場影響后，電壓或者電流的最大最小值與設定值之間的差異。當外部信號與線束內部信號耦合作用效果不一致時，差分信號的結果也會與預設值不一致，出現幅值的上升或者下降。信號跳變表示的是信號上升沿或者下降沿的斜率異常，上升沿與下降沿與信號的時鐘頻率相關。當信號時鐘頻率較高時，電流變化快，對外釋放的電磁波強度大，耦合的電磁場也增大，對原信號產生更強的消弱作用，導致信號跳變。時序是信號的一個重要的參數，不同時序的信號代表承載了不同的信息。線束收到電磁干擾后，局部信息出現滯后或者幅值變化等異常，導致信號的時序錯亂，傳遞錯誤的信息。

1.2.2 視頻信號異常

視頻信號傳輸過程為圖像信息經傳感器處理后變為電信號進行傳遞，然后電流或電壓信號經過模數轉換器轉換為數字信號，最后在顯示屏上成像。視頻信號傳輸本質是電信號傳輸，傳輸的載體仍然是線束，這些決定了視頻信號傳輸逃不開電磁干擾。視頻信號在傳輸的過程中，如果受到電磁干擾，電壓或者電流信號出現幅值、時序等異常，會導致傳輸的信號失真，最終導致視頻信號異常。

1.2.3 控制回路異常

電子設備控制回路往往通過電壓或者電流的變化執行不同的工作狀態。并且控制回路的信號往往比較敏感。線束中的控制回路在耦合過程中電流或電壓容易受到電磁干擾，從而出現工作異常的情況。

2 線束屏蔽失效來源

線束作為敏感設備，容易受到整車干擾源的影響。典型的整車干擾源包括點火系統、電動機、變換器和天線等零件[5]。

2.1 點火系統

發動機點火系統主要由蓄電池、點火線圈、火花塞、電容器等部件組成。汽車點火時，蓄電池中的電流進入初級線圈，在線圈電芯的作用下，次級線圈產生感應電流。當次級線圈中的感應電流不斷提高，以至于擊穿火花塞間隙，火花塞電容中存儲的能量迅速得到釋放。該放電過程會導致次級電路側的電流驟然增大，向周圍環境空間輻射電磁波。

2.2 電動機

電動機在整車上應用較多，包括雨刮、水泵、座椅調節、后視鏡調節等處均有電動機的身影。電動機的換向器在磁場中換向運動和開關觸點在工作時反復的開閉這2個特點，使得電動機會對周圍環境釋放大量的電磁波。即使有金屬客體的屏蔽，電動機通過傳導傳遞的電磁波仍不可小覷。

2.3 DC/DC變換器

DC/DC變換器由開關管、整流管、電感和電容等組成。變換器中開關管和整流管在工作過程中產生的電流或電壓的突變是變換器成為干擾源的根本原因。開關管工作時，導通時間短，形成電流尖峰。開關管關斷的時候，關斷時間短，將引起電壓突變，形成電壓尖峰。電流尖峰和電壓尖峰均會釋放大量電磁波。

2.4 天線

車載天線是整車通訊電子設備或者娛樂設備收發電磁信號的載體。天線接收空間中的電磁信號，并將其轉化為電信號，電信號經放大器調整后，經由線束傳遞到車載娛樂系統主機。這意味著，空間環境的電磁波可能被天線耦合。同時，天線的本質還是導線，也會對周圍環境釋放電磁波，干擾周圍環境的電子設備。

3 解決辦法

基于對線束屏蔽失效的方式和根源的剖析，不難總結出線束屏蔽失效的解決辦法，即在設計階段理清當前整車環境下線束各參數對電磁干擾的貢獻，并基于此設計線束布置方案。然后建模分析布置方案是否能達到屏蔽要求，并進行臺架驗證。最后，整車耐久試驗驗證線束電磁屏蔽性能。

驗證階段嚴格執行試驗大綱即可，解決辦法中最難的在于屏蔽模型的建立。屏蔽模型的建立需要嚴格考慮整車干擾源的數量、干擾大致強度以及干擾源的特征和對應失效方式。建立模型后將模擬結果與臺架實際表現對比，確保模擬結果與實際表現一致。當結果不一致時，通過調整模型參數，使得模型與實際表現一致。調整的依據來自當前線束屏蔽的研究成果，即隨著導線長度的增加，或者干擾源強度的提高，或者導線間距離的減小，或者導線離地高度的增大，導線感應電流增大，電磁干擾明顯。線徑對感應電流的影響存在頻率依賴性，在某些頻率，電磁干擾效益隨導線線徑的增大而增大，另外一些頻率則相反[1,6]。

同時，為減小線束的屏蔽失效，線束的布置和設計需要遵循以下原則。易干擾線束盡可能靠近接地布置，快速且良好的接地能有效減少電磁屏蔽。同時，將線束盡可能貼近鈑金布置，調整線束的方向避開耦合較強區域，遠離干擾源，增大線束間的間距，使用屏蔽層隔絕，依據傳輸頻率調整線徑。這些設計原則也能指導線束屏蔽失效的排查。

4 結論

線束承擔著整車信號傳輸和電壓電流傳輸的重要作用，而車載用電設備遍布整車各處，線束在連接各設備時不可避免地會暴露在干擾源作用區域內，導致汽車線束失效問題時有發生。如何排查線束屏蔽失效問題，以及如何加強線束屏蔽設計已逐漸成為整車研究的重要問題。文章首先對線束屏蔽失效方式進行了探討，然后重點對整車干擾源進行分析，并針對各種失效模式和干擾源的特點，提出了解決屏蔽失效的辦法。即根據干擾源的特點構建模型，并依據模型分析的結果進行子零件設計和整車線束布置設計。這些方法能提高線束設計的可靠性，同時也為解決線束屏蔽失效問題提供了借鑒。