汽车电动尾门控制器EMI测试与设计优化研究

李怀友

摘 要：本文研究了某型汽车电动尾门控制器可能的电磁干扰源与针对EMI（电磁干扰）测试的设计方案，分析CE（传导发射）与RE（辐射发射）测试过程中出现测试超标频段与导致测试超标的原因，并提出了针对此次测试失效的控制器设计优化整改方案。对设计优化后的控制器样件再次进行EMI测试，测试结果表明，设计优化后的样件完全满足整车厂对电动尾门控制器CE测试与RE测试在各频段的限值要求。

关键词：电磁兼容性EMC;电磁干扰EMI;传导发射CE;辐射发射RE

1 引言

随着汽车工业的发展与进步以及人们对汽车追求的不断提高，汽车上为了增加汽车的控制便利性与舒适性的电子设备越来越多，使得车内外的电磁环境越来越复杂。在这复杂的电磁环境中如何减少电子设备相互间的电磁骚扰，如何使各电子设备安全可靠地工作成为了一项重要研究课题，于是一门新兴的综合性学科诞生了——EMC（电磁兼容性）。

电磁兼容主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。以保证电子设备不受电磁骚扰的影响而出现故障或性能降级。如何在设备与电磁环境之间寻求一种协调的关系和共存的条件，这就是电磁兼容性技术。它包括两个方面的内容：1）EMI，指电子设备本身对其它电子设备的干扰;2）EMS，指电子设备自身抗外界电磁干扰的能力。干扰源、耦合通道与敏感设备是EMC的三要素，要提高汽车电子产品的EMC性能就需要从这三个方面入手。

本文基于标准EQC-1204规定的测试方法与限制要求，研究某型汽车电动尾门控制器的EMI（电磁干扰）测试设计方案，分析CE（传导发射）与RE（辐射发射）测试过程中出现测试超标频段与导致测试超标的原因，并提出了针对此次测试失效的控制器设计优化整改方案，并对整改结果进行测试验证。

2 汽车电动尾门控制器硬件原理与可能干扰源分析

汽车电动尾门控制器负责执行控制汽车尾门的电动开启与关闭动作，其所带负载有四个：1）撑杆电机，尾门开启与关闭动作的执行部件，其运行过程中可以调速，控制器输出PWM驱动波形对其进行控制;2）卷紧条电机，尾门执行关闭动作时负责通过卷紧条把尾门拉到位关严然后再释放卷紧条，其运行过程中不需要调速，控制器输出12V的直流波形对其进行控制;3）尾门锁块，尾门解锁与上锁的执行部件，上锁时控制器输出12V的高电平对其进行控制;4）告警蜂鸣器，尾门执行开启与关闭动作过程中鸣笛告警，其工作时控制器输出固定频率固定占空比的PWM波形对其进行驱动。尾门控制器硬件电路可以分为以下几个部分：1）电源进线及滤波电路;2）LDO5V与CAN接口电路;3）MCU及其外围电路;4）数字开关量与模拟信号采集电路;5）撑杆电机、卷紧电机与锁块驱动电路;6）蜂鸣器驱动电路。

纵观控制器的整个原理图我们可以发现，在芯片及关键元器件的选型上我们都严格遵守EMC设计准则，例如有源芯片的选型在满足功能的前提下优先选择低电压、低电流、低频率、低变化速率的器件，因此芯片应该不会对EMI测试造成困扰。在控制器整个硬件系统可能会成为对EMI测试结果有影响的干扰源有以下几处：1）MCU的晶振信号，高速的正弦波信号，频率8MHz，小功率信号;2）蜂鸣器驱动信号，频率为2KHz的PWM波信号，小电流信号;3）CAN总线信号，频率为500KHz，高速数字信号;4）撑杆电机驱动信号，频率为8KHz的PWM波，驱动电流可达15A的大电流信号。

3 汽车电动尾门控制器EMI测试超标分析

标准EQC-1204中对CE（传导发射）要求如下：1）测试程序基于CISPR25标准;2）测试频带为100KHz-108MHz;3）对测试结果的要求为在峰值检测模式和平均值检测模式下（如没有特别说明）人工电源网络终端的测量值不应当超过表1中所示下列值（必须满足峰值要求和平均值要求）：

CE测试结果显示在100KHz-700KHz频带均值超标，最高超了10 dBμV。在100KHz-700KHz频段出现的骚扰信号主要是差模干扰，在排查时发现其它几处的疑似干扰源信号的有无对测试结果没有什么影响，唯独当有撑杆电机驱动信号输出时测试超标现象就重现，而当没有撑杆电机驱动信号输出时测试超标现象就消失，测试结果与背景噪声差不多。由以上分析可以确认造成CE测试超标的干扰源为撑杆电机驱动信号。

标准EQC-1204中对RE（辐射发射）要求如下：1）测试程序基于CISPR 25标准;2）测试频带为100kHz-2.5GHz;3）对测试结果的要求为在峰值检测模式和平均值检测模式（如果没有特殊说明）的测量值不应当超过表2中所示下列水平（峰值要求与平均值要求两者都要求满足）：

RE测试结果显示在100KHz-2MHz频带均值超标，最高超了10 dBμV。在100KHz-2MHz频段出现的骚扰信号主要是差模干扰信号，在排查时发现其它几处的疑似干扰源信号的有无对测试结果没有什么影响，唯独当有撑杆电机驱动信号输出时测试超标现象就重现，而当没有撑杆电机驱动信号输出时测试超标现象就消失，测试结果与背景噪声差不多。由以上分析可以确认造成CE测试超标的干扰源为撑杆电机驱动信号。

4 控制器EMC设计优化与测试验证

经过上述测试分析得知，造成控制器CE测试与RE测试超标的祸首是撑杆电机驱动信号产生的噪声干扰。由于前期为了控制器的设计成本控制器的撑杆电机驱动端口与控制器电源端口仅做了简单的滤波处理，故无法达到遏制骚扰噪声的目的（见图1、图2、图3与图4）。

为此本人从减小干扰源发射强度与切断干扰源的传播途径两个方面提出了以下几个设计优化措施：1）优化撑杆电机驱动电路设计，特别是驱动MOS管周围电路的设计。例如在满足MOS功耗温升允许的范围内适当增大MOS栅极电阻的阻值以此来减小MOS管导通速度，减小PWM波形上升沿的过冲，进而减小PWM波产生的谐波干扰噪声;2）优化PCB层叠设计，建议PCB的层叠设计改为第一层（TOP层）为信号层、第二层（Inner_1层）为地GND层、第三层（Inner_2）为信号层、第四层（Inner_3层）为电源POWER层、第五层（Inner_4层）为地GND层与第六层（Bottom层）为信号层，这样有助电源层和地线层紧密耦合减少板子对外界的辐射干扰。另外，每个信号层都与内电层直接相邻，与其他信号层均有有效的隔离，不易发生串扰;3）TOP层与Bottom层要包地处理，同时电源和GND要注意隔离，可以用壳体地进行隔离;4）电源层也要内缩包地处理，同12V电源系统、每种5V电源系统之间要用GND隔离处理;5）电源线与地线尽可能布宽一些，减小电源回路的布线阻抗;6）优化撑杆电机驱动端口的滤波电路设计，在电机端口电机正负极对地及两级之间增加陶瓷贴片滤波小电容，改变干扰噪声信号的回流路径以减小对外辐射的强度;7）优化控制器电源端口滤波设计，在电源回路中串入差模电容，防止干扰噪声通过电源线辐射出去。优化设计后的样件原理图（见图5、图6、图7与图8）;8）软件设计优化，为了减小电机驱动信号对外界的噪声干扰，在满足电机驱动的基础上适当降低电机驱动信号的频率，频率建议由目前的20KHz减小到16KHz或者12KHz，并采用擺频技术使电机驱动信号由固定频率变为在12KHz至16KHz频段内按照一定规律周期性来回变化，减弱驱动信号在某一频点噪声的强度。

经过优化设计后的样件控制器样件再次进行测试，测试结果显示CE与RE前期测试超标的频段现在测试在相应频段的噪声最大幅值现在都回到了标准EQC-1204要求的限值以下（见图9、图10），受测样件满足了标准EQC-1204在CE测试与RE测试在各个频带的限值要求，顺利地通过了EMI测试。说明了优化设计措施有效，样件的EMI性能优异。

5 结束语

本文对汽车电动尾门控制器的EMI测试与设计优化方案进行了研究，分析了测试超标的原因，提出了设计优化的整改措施，通过测试验证取得了良好的效果，丰富了汽车电子模块EMC设计经验，对其它类似的产品开发设计与EMI测试整改有着重要的借鉴意义。

参考文献：

[1]郑军奇.电子产品设计EMC风险评估[M].北京：电子工业出版社，2008.