車輛零部件電磁兼容設(shè)計(jì)與應(yīng)用

林 森，劉保國，雒 拓，高 錦

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安710200）

零部件軍用電磁兼容考核標(biāo)準(zhǔn)為GJB 151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》，其中陸軍地面設(shè)備考核項(xiàng)目為CE102、RE102、CS101、CS112、CS114、CS115、CS116、RS103，共8項(xiàng)。CE102、RE102考核零部件發(fā)射指標(biāo)是否合格，CS101、CS112、CS114、CS115、CS116、RS103考核零部件抗擾性指標(biāo)是否合格。軍用車輛零部件考核指標(biāo)要求嚴(yán)格，在產(chǎn)品開發(fā)過程中應(yīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)，避免進(jìn)入設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-整改-再設(shè)計(jì)的循環(huán)過程，耗費(fèi)大量資金和資源，延長項(xiàng)目開發(fā)周期。

1 零部件電磁兼容性分析

通過對標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)項(xiàng)目的理解，在產(chǎn)品的開發(fā)過程中應(yīng)同時進(jìn)行發(fā)射和抗擾性設(shè)計(jì)，圖1為多數(shù)電子控制器的結(jié)構(gòu)圖。電子控制器由外殼、控制器蓋、PCB、安裝螺栓、連接器、殼體搭鐵點(diǎn)及連接線纜構(gòu)成。

電磁干擾產(chǎn)生的三要素為干擾源、干擾途徑和敏感設(shè)備［2］。通過對控制器進(jìn)行分析，控制器內(nèi)部電路板產(chǎn)生的空間輻射頻率大于1MHz，將從縫隙、孔洞直接輻射到外部空間，PCB線路上的無用信號將通過插接件連接的線纜輻射出去。對于1MHz以下的信號，由于頻率較低，只能通過傳導(dǎo)方式對外產(chǎn)生輻射，主要途徑是對外接口的線纜。抗擾的考核方式與發(fā)射相反，但路徑都相同，因此在設(shè)計(jì)過程中首先找出發(fā)射產(chǎn)生的源頭，通過濾波、屏蔽、布置等措施進(jìn)行干擾抑制，在減少干擾的同時提高抗擾能力。圖1中潛在的電磁兼容問題位置見表1。

圖1 電子控制器結(jié)構(gòu)圖

表1 控制器電磁兼容潛在位置

從表1可以看出，電磁兼容設(shè)計(jì)涉及結(jié)構(gòu)、原理、PCB、器件等多學(xué)科領(lǐng)域，是一個跨學(xué)科綜合設(shè)計(jì)的過程，因此應(yīng)掌握多領(lǐng)域基本知識去解決問題。

2 零部件電磁兼容設(shè)計(jì)方法

汽車零部件電磁兼容性設(shè)計(jì)主要包括五大部分。

1）電路圖電磁兼容設(shè)計(jì)：接口電路防雷擊、靜電與濾波組件的計(jì)算選型、信號線分類濾波和阻抗匹配處理、搭鐵線特性分類、電源特性劃分和濾波處理、芯片引腳特性校核及濾波處理等。

2）PCB電磁兼容設(shè)計(jì)：PCB疊層設(shè)計(jì)、元器件擺位設(shè)計(jì)、信號分類設(shè)計(jì)、信號布線設(shè)計(jì)等。

3）傳感器電磁兼容設(shè)計(jì)：屏蔽線束設(shè)計(jì)、濾波設(shè)計(jì)。

4）插接件選型：帶有屏蔽功能的金屬插接件設(shè)計(jì)評估。

5）殼體電磁兼容設(shè)計(jì)：法拉第籠式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、殼體縫隙屏蔽設(shè)計(jì)、開孔位置屏蔽設(shè)計(jì)、殼體噴涂防護(hù)設(shè)計(jì)等。

按照零部件電磁兼容設(shè)計(jì)方法對控制器潛在電磁兼容風(fēng)險點(diǎn)給出設(shè)計(jì)方案，見表2。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中根據(jù)電路、殼體、安裝位置進(jìn)行方案合理應(yīng)用，在初次設(shè)計(jì)完成后可解決90%電磁兼容問題。

表2 控制器電磁兼容解決方案

3 零部件電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 未考慮電磁兼容設(shè)計(jì)產(chǎn)品

某車輛使用的電子控制器，由于控制原理簡單，在設(shè)計(jì)過程中只完成了功能設(shè)計(jì)，未進(jìn)行電磁兼容考慮，控制器外殼為塑料結(jié)構(gòu)，PCB未進(jìn)行布局考慮，在進(jìn)行零部件電磁兼容試驗(yàn)時，輻射發(fā)射超標(biāo)嚴(yán)重，與預(yù)期一次性通過試驗(yàn)的評估相差很大。圖2和圖3為10kHz~200MHz輻射超標(biāo)圖。

圖2 10kHz~30MHz發(fā)射超標(biāo)圖

圖3 30~200MHz發(fā)射超標(biāo)圖

通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證和問題排查，發(fā)現(xiàn)圖2中出現(xiàn)的6MHz、12MHz、18MHz等和圖3中36MHz、54MHz、66MHz等均為6MHz的倍頻，而此控制器使用的晶振是6MHz，因此這些頻點(diǎn)均由晶振引起，而圍繞晶振在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的潛在問題并未進(jìn)行充分考慮，導(dǎo)致零部件超標(biāo)嚴(yán)重。

3.2 正向電磁兼容設(shè)計(jì)開發(fā)

此控制器整體需求為：采用塑料外殼，電路功能由PCB實(shí)現(xiàn)，芯片由6MHz晶振驅(qū)動。此PCB工作頻率較高，應(yīng)至少采用兩層板設(shè)計(jì)，對晶振、芯片及外圍電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，優(yōu)化走線，避免線間耦合和串?dāng)_，同時對塑料外殼進(jìn)行屏蔽處理減少空間輻射。控制器設(shè)計(jì)變更前后見表3。

通過從控制器需求出發(fā)，按照潛在電磁兼容問題點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，通過對殼體、PCB、元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，圖4中左圖為新2層PCB設(shè)計(jì)及貼片元器件使用，右圖為噴涂導(dǎo)電漆后的殼體。

表3 控制器設(shè)計(jì)比對

圖4 新PCB及屏蔽外殼圖

設(shè)計(jì)完成的樣品功能正常，發(fā)射試驗(yàn)一次性通過，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖5和圖6為新設(shè)計(jì)樣件一次性通過10kHz~200MHz輻射發(fā)射試驗(yàn)。

圖5 10kHz~30MHz發(fā)射通過圖

圖6 30~200MHz發(fā)射通過圖

通過對增加的成本進(jìn)行核算，由于新設(shè)計(jì)產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，故障率低，返修率低，總體價格并未出現(xiàn)明顯增長。

4 結(jié)論

通過對車輛零部件進(jìn)行研究，找出電磁兼容設(shè)計(jì)方法。首先應(yīng)掌握法規(guī)和指標(biāo)對產(chǎn)品電磁兼容性要求，然后對產(chǎn)品電磁兼容問題進(jìn)行分類，有針對性地提出設(shè)計(jì)方案并實(shí)施，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明方案可行性。正向開發(fā)的優(yōu)勢在于縮短試驗(yàn)-整改-再設(shè)計(jì)的過程，提高設(shè)計(jì)效率和通過率，節(jié)約資金，減少資源耗費(fèi)。