车辆电子电器的电磁兼容性测试与抑制方法的研究

丁亚平　刘方磊　张胤　白雪强

摘 要：随着越来越多的车载电子电器设备的开发和使用，使得车辆电磁兼容问题越来越突出。本文从车辆电子电器设备电磁兼容测试中常见的问题出发，指出减小导线串扰、优化电路、采用屏蔽和滤波等技术能够有效地改善部件电磁兼容性，为汽车电子电器系统电磁兼容设计提供参考。

关键词：电磁兼容性；骚扰；滤波

中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）06-0023-05

Abstract： With more and more electrical and electronic devices are opened up and applied to automobile， the problems of automobile's Electro-Magnetic Compatibility become more and more prominent. Basised on the problems of EMC Tests of these electrical and electronic devices， this article find some ways to improve the Electro-Magnetic Compatibility of automobile's electrical and electronic devices. These methods and experiments that iclude reducing wire interference， optimizing circuit， using shielding and filtering technology， can be useful in the research on the Electro-Magnetic Compatibility for automotive motors.

Key Words： Electro-Magnetic Compatibility； Interference； Filtering

1 引言

随着电子通信技术的不断发展，车载电子电器设备种类和数量越来越多样化、复杂化，各种车载电子电器设备的密集度、集成度越来越高，车辆内外的电磁环境也变得越来越复杂。由此常常造成车辆电子设备的性能降低、失效不能工作、误动作甚至损坏等，既影响了广大车主的用车体验还给人们行车安全带来了严重危害。因此，现今汽车电磁兼容技术变得越发重要，已成为汽车开发、设计过程中不可忽视的重要部分。

2 车辆电子电器的电磁兼容问题及案例分析

电磁兼容性（EMC，Electro-Magnetic Compatibility）

是指在同一电磁环境中设备能不因其他设备的干扰影响其正常工作，同时也不对该环境中其它设备产生影响其工作的电磁干扰。顾名思义，电磁兼容就包含着两方面要求，其一就是同一台设备自身产生的电磁场应当保持在不产生干扰的最低水平；其二是抗干扰，即设备暴露在外部磁场中能够持续可靠工作的能力。现在随着国内外对汽车电磁兼容问题的重视程度提高，针对汽车类电子电器部件的相应标准法规也越来越多，这就对产品提出了更高的要求。现阶段，国内汽车电子电器部件电磁兼容性测试的主要项目有辐射发射、传导发射、瞬态传导发射、瞬态传导抗扰度、自由场抗扰度、大电流注入抗扰度和静电放电抗扰度测试等。以下我们就从这几方面谈一谈汽车电子电器的电磁兼容测试技术与抑制方法的一些案例研究。

结合一些常引用的标准法规，我们选取一些平时测试中的车载电子电器系统、组合仪表和一些配电控制模块进行测试，对比分析这些部件的传导骚扰、辐射骚扰、自由场抗扰度的测试结果，结合参照相关标准的限值和要求，反复整改、验证所得的一些经验。

2.1 辐射发射

汽车零部件的辐射发射主要是线束上的辐射，通电的导线和线缆可视为等效天线，因此车载电子设备的线束上的辐射骚扰较为严重，再者一般线束中导线间距离通常过近，导线之间会产生一定的寄生电容、电感，这些也都是导致辐射骚扰过高的原因。

首先在这里我们分析下共模发射和差模发射对抑制辐射骚扰电平是很有必要的。通常我们把线地之间的发射定义为共模发射，线线对外的发射定义为差模发射。其原理如下图1所示：

我们在平时的测试中发现，对于电路中辐射发射而言，共模电流引起的辐射相对差模电流引起的辐射来说要更严重。较小的共模电流能够产生较强的共模辐射，而且很多因素都能产生共模电流，很小的共模电流能与很大的差模电流產生同等的辐射发射强度。因此我们得出汽车零部件产品减少辐射发射的一些解决方法：

1.减小零部件及模块的共模信号回路路径。但此部分通常受限于厂商出厂产品固化限制，很难去拆分较小的控制电路模块，在实际解决方案中很少采用。

2.加大共模阻抗，减小噪声电流。此方法一般采用滤波、隔离及阻抗匹配等措施，相对于电路而言比较容易实现，所以平时整改经常采用。

3.减小共模电压。常用的途径就是改善接地设计。

下面主要介绍第二种方案，采用滤波电路来加大共模阻抗、减小噪声电流从而降低辐射发射的一个案例。在电源线端做好滤波措施，针对不同的辐射发射超标频点选择合适的滤波电感和电容，能很好的抑制电源线辐射超标问题，常见的滤波电路如图2所示：

滤波电路中采用的电感分为差模电感和共模电感，分别抑制差模噪声和共模噪声，差模电感感量在μH级，抑制的频率在10MHz以下，共模电感感量在mH级，抑制的频率一般在10MHz以上，针对不同频点选择合适的电感。而电容的类型很多，不同类型在相同的容值下对高低频的抑制能力不同，如无感瓷片电容对高频抑制效果好，电解电容对低频抑制效果好。endprint

下面引用我们试验中的某厂商的一个雨刮电机总成辐射发射整改方案的例子：

下图3左为GB/T 18655-2010辐射骚扰测试曲线图，产品在试验中在142MHz--245MHz频段几乎全频段超标，我们通过分析得知辐射是通过电源正负线辐射出来的。根据相关理论知识选择合适的电感和电容对电源线进行了处理，具体滤波电路如图2，输入端我们采用2个电容相并联，即一个容值较大的电解电容与一个容值较小的无感瓷片电容相并联。无感瓷片电容的分布电感很小，截止频率较高，适用于高频滤波。由于无感瓷片电容的容值较低，要稳定电路中的输出电压，必须并联一个容值较大的电解电容。图3右为整改后的曲线，超标频点下降10-20dB左右，满足3级限值要求。

2.2 传导发射

传导发射是指一个或多个导体（如：电源线、信号线、控制线等）传导电磁噪声能量的过程。汽车零部件的传导发射主要是由线束上的各种途径的耦合而来。我们知道，车载部件的传导发射频率一般从几千赫兹到1G赫兹以上，在高频时由于传导损耗会使传导电流大大衰减。因此，在低频范围内，传导发射是电磁干扰的主要形式。如设计上不采取相应抑制措施，很多汽车零部件的传导发射都会超标，这样就严重威胁了车辆其他电子设备的正常工作。

传导发射只有在具有骚扰源、传输途径、敏感设备三大要素时才会产生。所以相应的抑制措施也是针对这三大要素来制定。在对骚扰源的处理上，一般车载的电动机、转换器、螺线管、继电器等，这些装置设备会把骚扰引入电源线和信号线中，所以我们采用一些整流、滤波电路就能很好地抑制这些骚扰。在切断传输途径上，地线干扰会造成各电子器件之间的传导耦合，所以减小地线、电源回线的阻抗、正确选择接地方式都可以减小地线干扰。在对敏感设备的处理上，应当考虑让车载部件对于干扰信号不易敏感，所以在电路上的信号电平和阻抗大小与电路所用器件必须相适应。

下面引用我们试验中的某厂商的一个闪光继电器传导发射超标解决方案的例子：

该样件的传导发射试验时在30MHz到108MHz有频点超过限值线。经分析后得知在电源线上传导骚扰较大。闪光继电器是通过控制继电器开关不停断开闭合来工作，会通过电源线对外形成传导骚扰。我们发现在对源头的开关处并上1uF的电容只会对低频骚扰有明显的抑制，在高频处并无明显作用。但干扰源头我们锁定是开关动作无疑，这说明单对开关处的滤波措施并不足够。最后我们在电路正负极之间加一个简单的一级滤波电路来进行宽频滤波，所选的电容为100uF的电解电容，整改后传导骚扰满足限值的要求，试验曲线如下图4所示：

从原理上来讲，传导骚扰的耦合是一种互阻抗耦合或互导纳耦合，传导耦合途径要求在干扰源和敏感设备之间有完整的电路连接。滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施，滤波电路的种类有很多，根据电路的特点选用和设计合适的滤波电路是电磁兼容电路设计重要课题。

2.3 射频场抗扰度

射频场抗扰度测试一般采用的是大电流注入法和电波暗室法（也称自由场法）。大电流注入法是利用电流注入探头将电流直接感应到线束中对样品进行抗扰度试验的一种方法。电波暗室法是在电波暗室中完成的辐射抗扰度测试方法。电波暗室法适用的频率范围是80 MHz～18 GHz，我实验室一般用于400MHz以上频段的抗扰度测试，测试严酷度等级以施加的场强为单位。不同汽车零部件在相同或不同频段内的抗扰能力不一样，射频场抗扰度采用的大电流注入法和电波暗室法原理不同使得其各自适用的频段也不同，大电流注入法适应于低频段，而电波暗室法更适用于高频段。

结合电波暗室法的案例来分析，某款车载仪表产品在做自由场测试时，等级为100V/m的时候出现在一部分频率范围内出现“啸叫”现象，屏幕图像在400MHz—560MHz频率范围内出现“花屏、抖动”现象。标准要求上产品这种情况属于在施加干扰期间的系统功能下降，无法达到标准要求系统判据“A”的要求。实物如下图5：

我们针对产品的特性进行分析，施加的干扰进入系统影响功能的途径主要有以下几个方面：从外部电源线和音频线束耦合进入系统、从系统屏蔽搭接不良的外壳缝隙耦合进入系统内部、从显示屏幕板直接耦合进入系统。

解决这类问题，我们需要从干扰进入系统的各种可能途径综合分析，一步步进行排除。对于从外部电源线和音频线束耦合进入系统的干扰在内部电路板需要增加相应的滤波电路，在较高的频段出现不符合标准判定要求的，我们要增加磁珠和高频电容，具体的电容参数选择需要根据有问题的频段和频点灵活选择。像此仪表屏幕图像在400MHz—560MHz频率范围内出现“花屏、抖动”现象，我们选择了100pF的高频电容。此外，对于增加的滤波电路和磁珠我们也要一定程度的屏蔽处理，这样避免干扰跳过滤波器件直接耦合到次级进入系统。因此我们滤波器件和磁珠都用铜箔纸包起来做了一些简单的屏蔽。再者，我们在系统屏蔽搭接不良的外壳缝隙也同样用铜箔纸包起来做好屏蔽，最大程度上避免干扰从系统屏蔽搭接不良的外壳缝隙耦合进入系统内部。

2.4 静电放电

关于对车载电子器件的静电放电的防护，我们从静电放电的条件来看，静电放电有3个条件，即：一定能量的静电荷，一定的距离，放电导体。所以针对ESD问题通常我们采取隔离和加保护电路的措施，下面结合一些实例讲解实用措施。

结合静电放电的案例来分析，某款车载仪表在做静电放电测试时，等级为15 kV的空气放电时候出现“花屏”现象，无法达到标准要求系统判据“A”的要求，实物如下图6：

解决这类问题，我们需要从干扰进入系统的各种可能途径综合分析排查。

1.隔离，切断传输路径。

经验认为，每千伏的静电电压击穿距离在1mm左右，因此一些电路板，走线离开易放电的边缘8-10mm就可以抵抗8kV左右的静电电压，最关键的ESD敏感器件一定要布局在板子中央。

2.关键管脚加保护器件

ESD敏感器件的某些管引脚或者信号进出的接口容易被静电击穿，通常的做法是在靠近此器件相应管脚处安装合适的稳压二极管，利用二极管的雪崩效应和钳位特性，保护相应的ESD敏感管脚。

3. 电源滤波

实验证明，静电放电引起的干扰脉冲是按指数规律衰减的电磁波，含有丰富的高频分量，因此应对电源进线进行滤波。信号线路上有选择的添加一些合适的电容或串联合适的电阻。

3 结语

车辆电子电器系统是一个复杂的巨大系统，各类电气设备设备布局设计也是一个复杂的过程，而实际的电磁兼容问题将更加复杂。通过前面的方法虽然可以对车内的设备布局进行优化设计，但是汽车的电磁兼容问题无论通过何种方法，都必须落实到实际当中去。要保证良好的电磁兼容性能，必须首先要做好每个车辆部件的电磁兼容问题，再来考究电子电器系统电磁兼容的总体设计，加强系统性和规范性设计，才能保证整车电磁兼容性达到技术要求，实现整车安全。

参考文献：

[1]全国无线电干扰标准化技术委员会. GB/T18655-2010 用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法[S]. 中国标准出版社， 2010.

[2]全国无线电干扰标准化技术委员会.GB/T 17619--1998机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法[S]. 中国标准出版社， 1998.

[3]张戟， 孙泽昌. 现代汽车电磁兼容理论与设计基础[M]. 清华大学出版社， 2009.

[4]朱德康.汽车电子电器電磁兼容测试研究[J].硅谷， 2009（4）：30-31.endprint