基于加速寿命试验的电磁兼容特性研究

李研强 李明强

（1.山东省科学院自动化研究所，山东 济南 250014；2.山东省汽车电子技术重点实验室，山东 济南 250014）

0 引 言

随着汽车电子行业不断发展，汽车电子产品的应用日益广泛，与汽车电子产品电磁干扰相关的可靠性问题也逐渐受到重视。为提高汽车电子产品电磁兼容性能，国内和国际各大汽车制造厂均已根据自己的经验制定了不同的EMC标准[1-2]。随着近年来ISO 26262标准的进一步普及，汽车行业对全寿命EMC的研究更加重视。Shin等[3-4]从功能安全的角度探讨了ISO 26262对EMC测试的影响，特别指出汽车电子产品在全寿命周期内EMC的重要性。但是按照现有标准，通过所有的EMC测试，也不能保证产品在使用寿命期限内EMC的性能，因为现有测试并没有考虑随着使用时间的延长导致汽车电子产品EMC性能改变而引起的可靠性问题。Armstrong[5]的研究表明，随着使用时间的增加，特别是受外部环境如温度、湿度、振动等应力的影响，汽车电子产品的EMC特性将会发生诸如对外辐射超标、电源耐受性降低等变化。

近年来，国外已有学者将电子元器件的寿命与电磁兼容理论结合。Boyer等[6]对集成电路的电磁辐射进行寿命加速老化前后的对比实验，发现其电磁兼容特性发生明显改变。Li等[7]对锁相环电路在寿命加速老化前后的EMC特性做了对比，发现电路的抗干扰特性明显降低。本文参考文献[8]提出的汽车电子产品的加速寿命试验与电磁兼容测试方法，进行汽车电子产品全寿命电磁兼容测试。

1 汽车电子产品全寿命电磁兼容测试方法

1.1 研究对象

本文的研究对象是一款汽车报警器产品，该报警器的功能框图如图1所示，其中功能电路为主芯片（PIC18F2480）、CAN 总线物理层芯片（TJA1054）、PWM驱动电路（MMBT5551）、开关量检测电路（MMBTA92）、电源管理模块（LM9076），而蜂鸣器在测试期间由4Ω电阻代替。

1.2 加速寿命试验方法

图1 实验样品功能框图

加速寿命试验采用加速应力来进行产品的寿命试验，从而缩短了试验时间，提高试验效率，降低试验成本。报警器的加速寿命试验方法施加的加速应力为电压。报警器的正常工作电压为12V，实际施加的加速电压为15V。

通过对实验样品功能电路进行分析，发现输入电压经电源管理模块分压为芯片、总线和PWM驱动供电。由于电源管理模块的输入电压范围为8～16V，因此不论工作电压为12V，或是加速电压为15V时，都不会影响芯片、总线和PWM模块的功能。因此，加速电压不会在短期内造成防盗报警器功能的损伤，可以将加速电压作为加速应力使用。

加速寿命试验分为若干阶段进行。首先以8 h作为一个阶段进行加速寿命试验，加速寿命试验期间监测报警器的电性能（如电流、端电压等），8h结束后测量报警器的电磁兼容性能变化，然后再进行8h加速寿命试验，测量电磁兼容性能变化，以此类推，直至产品失效或电磁兼容测试未通过，试验结束。

1.3 电磁兼容测试方法

汽车电子产品电磁兼容性测试项目在相关国际（如 ISO 11452）、国家（如 GB/T 18655）和企业标准（如GMW 3097）中都有详细介绍，常见项目包括辐射发射、传导发射、大电流注入、自由场和静电放电等，其中传导发射测试用于验证电子产品是否会影响外部设备的广播通信。本文选择电源线传导发射测试作为比对项目。

本文传导发射测试的依据为CISPR25：2008，测试方法为电压法，测试限值选择汽车电子产品常用的等级3，测试线束类型为电源线，电源线长度为40cm，测试现场布置满足CISPR25：2008的要求。测试设备包括接收机、电源阻抗稳定网络（LISN）和EMC32测试软件，所有设备均已通过校准。

图2 加速寿命试验前报警器传导发射-电压法电源线噪声

报警器传导发射-电压法电源线噪声曲线如图2所示，平均值和峰值均低于CISPR 25：2008等级3的限值要求，证明报警器在当前情况下不会通过汽车上的导线、公共阻抗、供电电源等途径影响其他产品在移动广播频段的通信。

2 加速寿命试验的电磁兼容测试结果

第1阶段加速寿命试验期间电性能几乎没有变化，试验结束后电磁兼容性能与进行加速寿命试验前进行比较，如图3所示。150 kHz～1MHz频段电磁兼容性能降低约0.5 dBμV，1～3 MHz频段电磁兼容性能变差，在1.805MHz峰值出现6dBμV增量，3～8MHz频段电磁兼容性能变好，8～108 MHz频段电磁兼容性能变差，其中30～108MHz峰值普遍出现较为明显的增大，且在52.85MHz出现6.2dBμV的增量。

图3 第1次加速寿命试验前后传导发射结果比较

在第2组加速寿命试验期间电性能仍无变化，试验结束后未进行电磁兼容性能测试。

进行第3组加速寿命试验测试期间，报警器蜂鸣器上通过的电流出现6%左右的变化。加速寿命试验结束后立刻进行第2次电源线传导发射测试，结果电源线传导发射噪声峰值在50.8～52.15MHz频段超出CISPR25：2008等级3的峰值限值，如图4所示。

对3次电源线传导发射测试的结果进行比较，如图5所示，从1～108 MHz峰值和平均值都出现较为明显的增大。

通过本次试验表明，在实验对象使用寿命期限内，随着产品使用时间的延长，电磁兼容性能逐渐变差，在某个阶段会超出电磁兼容测试标准的限值要求，进而影响到整车的电磁兼容性。这从实验角度证明对汽车电子产品全寿命电磁兼容进行测试分析是有价值的。

图4 电源线传导发射噪声峰值超出限值曲线

图5 3次电源线传导发射测试结果曲线比较

3 分析与改进

对报警器电路模块进行分析后发现如图6所示的报警器蜂鸣器控制模块电流值偏大，且在PWM驱动电路控制下，开关动作较多，其变化最可能引起电磁兼容性能的退化。以下是对蜂鸣器控制模块的详细分析。

其中，VEE正常工作电压为12V，加速寿命条件下为15V；PWM模块输入电压范围为8～16 V，输出信号与VEE无关，输出信号周期为1.36ms，高电平为1.8 V，持续时间为0.44 ms，低电平为-2.4 V，持续时间为0.92 ms；R1在测试时采用4 Ω电阻，实际应用时使用驱动电压为1.5～15 V的蜂鸣器；R2为阻值500kΩ电阻；T3和T6是两个NPN晶体管，组成一个电流放大电路，在PWM模块输出信号的作用下，起开关作用。

当PWM驱动信号电压稳定为低时，如表1所示，T3晶体管Vbe＜0，T6晶体管Vbe小于开启电压0.6V，两个晶体管均处于截止状态，内阻趋向于无限大。

因此电流走向如图6中红色圆圈所示。此时蜂鸣器电阻分压为

表1 PWM驱动电压为低电平时，晶体管状态

图6 蜂鸣器控制模块原理示意图

当工作电压为12V，模拟蜂鸣器的电阻R1上分担的电压值为96mV，与示波器测得的0.1V相符。当加速电压为15V，模拟蜂鸣器的电阻R1上分担的电压值为120mV，与示波器测得的0.11V相符。此时如果使用实际的蜂鸣器，蜂鸣器上的电压远远低于其最低驱动电压1.5V，此时蜂鸣器不发出声音。

当PWM驱动信号电压从负电压向正电压转换时，T3晶体管首先进入开启状态，然后驱动T6晶体管。当PWM驱动信号电压稳定为高时，如表2所示，T3和T6均进入饱和状态，电流进入绿色线圈所示状态。

当工作电压为12V时，用DPO 4104示波器测R1两端的电压为10.4V。当加速电压为15V时，测量R1两端的电压为13.5V。因此，当驱动电压为高电平时，蜂鸣器均可以被驱动，发出声音。

结合上述分析可以发现，随着加速寿命实验的进行，报警器功能状态保持正常。但随着加速电压的使用，导致晶体管上PN结电压明显增加。结端势垒的抬高，使得电场增大，载流子流速加快，进而引起载流子间散射变化，逐渐在晶体管中引入损伤。随着加速寿命时间增多，晶体管微观损伤累积，最终造成了报警器电磁兼容性变差。

表2 PWM驱动电压为高电平时，晶体管状态

为改善电磁兼容性能，可将T3和T6晶体管进行两个改进：1）在T6晶体管对地端增加一个1 nF左右的电容，以将尖峰电压导入地端；2）在T3集电极端和T6基极之间增加一个10Ω左右的电阻，防止PWM信号为负时出现的高阻态浮空现象，并起一定的限流作用。

4 结束语

本文以防盗报警器为例，进行了电压加速寿命期间传导发射测试，是一种典型的全寿命电磁兼容测试方法。本文以实际实验证实，汽车电子产品在使用寿命期间，电磁兼容性能会发生不利变化，进而影响汽车安全性能。因此全寿命电磁兼容测试方法有利于保证汽车电子产品的全寿命安全与可靠性。

[1]徐立.我国汽车电磁兼容技术发展状况[J].安全与电磁兼容，2003（1）：35-37.

[2]COMPANY F M.Electromagnetic compatibility specification for electrical/electronic components and subsystems[EB/OL].[2016-03-02].http：∥www.fordemc.com/docs/download/FMC1278.pdf.

[3]SHIN J，CHUNG Y，CHOIJ.Management plan on EMC for functional safety of the ISO26262[J].Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering &Science，2014，25（10）：1020-1027.

[4]郭远东，王春霞.ISO 26262对汽车电子产品EMC的影响[J].安全与电磁兼容，2014，32（2）：51-54.

[5]ARMSTRONG K.Specifying life-cycle electromagnetic and physical environments-to help design and test for EMC for functional safety[C]∥International Symposium on Electromagnetic Compatibility.IEEE，2005.

[6]BOYER A，NDOYE A C，DHIA S B，et al.Characterization of the evolution of IC emissions after accelerated aging[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2009，51（4）：892-900.

[7]LI B，BOYER A，BENDHIA S，et al.Ageing effect on electromagnetic susceptibility of a phase locked loop[J].Microelectronics Reliability，2010，50（9/11）：1304-1308.

[8]李研强，张晓芳.汽车电子产品全寿命电磁兼容测试方法[J].山东科学，2017，30（2）：133-138.