提高汽車電器電磁兼容性的三大措施
加入技術(shù)交流群
ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃油點(diǎn)火電子控制系統(tǒng)，GPS全球定位系統(tǒng)等電子設(shè)備的正?？煽抗ぷ鞫急仨氈匾晫﹄姶偶嫒菁夹g(shù)的設(shè)計(jì)和研究，可以從傳統(tǒng)的汽車電器（諸如起動(dòng)機(jī)、刮水電動(dòng)機(jī)、閃光器、空調(diào)啟動(dòng)器、燃油泵等）入手進(jìn)行探討，交流發(fā)電機(jī)電纜的連接和間歇切斷也是產(chǎn)生較大功率電磁輻射的干擾源，只是其它設(shè)備對其工作可靠性的影響較那些小功率高頻段的電子設(shè)備為小?，F(xiàn)在，交流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)器與電子點(diǎn)火系統(tǒng)一樣，已經(jīng)設(shè)計(jì)成集成模塊化結(jié)構(gòu)，同樣面臨抗干擾的問題。
電磁干擾的來源、傳播途徑及檢測
（一）電磁干擾的來源
汽車電器設(shè)備受到的電磁干擾的來源常分為3種：周圍高壓變電所輸電線、大功率無線電發(fā)射基站、行駛中相距較近的汽車、雷電、太陽黑子輻射的車外電磁干擾；由于行駛時(shí)車體與空氣高速摩擦，在車體上形成不均勻分布的靜電而產(chǎn)生的車體靜電干擾；點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的車內(nèi)電磁干擾等高頻輻射干擾。電動(dòng)機(jī)電刷換向火花的電磁輻射，起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)和各種開關(guān)工作時(shí)放電干擾等，都是汽車電器設(shè)備電磁干擾的來源。
（二）電磁干擾的分類及傳播
電磁干擾（EMI）按頻段可粗略劃分為：0.02～2kHz，諧波干擾；2～300kHz，傳導(dǎo)干擾或載頻干擾；0.3～300MHz，射頻干擾；0.3～300GHz，微波干擾。
從干擾的途徑來分，0～300kHz并存著傳導(dǎo)干擾和交變電磁場引起的近場感應(yīng)干擾；射頻和微波干擾都是遠(yuǎn)場的輻射干擾。當(dāng)設(shè)備和導(dǎo)線的長度比波長短時(shí)，主要的問題是傳導(dǎo)干擾；當(dāng)它們的尺寸比波長長時(shí)，主要的問題是輻射干擾。
（三）3 類干擾分述如下
a.傳導(dǎo)干擾是通過電路連接的導(dǎo)體傳播，共電源線，共搭鐵線。圖1為傳導(dǎo)干擾的電路原理圖。
根據(jù)電子電工學(xué)知識(shí)可得各電器的工作電壓為：
式中：R——電源線電阻；
r——搭鐵線電阻；
U——支路電壓；
I——支路電流。
可見一個(gè)電器電流的變化會(huì)影響其它電器電壓變化，引起干擾。降低電器間相互干擾，必須減小R、r和I。
b.感應(yīng)干擾由各類電器、導(dǎo)線的交變電磁場引起，下面從電場耦合干擾和磁場耦合干擾來敘述其原理。圖2、圖3分別表示其電路原理圖。
分析圖2，則導(dǎo)線2上干擾電壓U2為：
式中：C12——兩導(dǎo)線間電容；
C20——導(dǎo)線2搭鐵電容；
R——回路電阻；
U1、I1——導(dǎo)線1的電壓、電流。
減小U2，應(yīng)從降低C12和R或增大C20入手，即增大導(dǎo)線間距離或改變電器導(dǎo)線間介電參數(shù)。
磁感應(yīng)干擾與兩回路長度L1、L2，導(dǎo)線間距離b相關(guān)。由圖3可知
式中：
μ0——真空導(dǎo)磁率；M12——兩回路間互感。
降低U2，在于增大b和減小回路面積來減小M12，或減低電壓變化率。
c.輻射干擾是射頻的無線電發(fā)射通過導(dǎo)線電纜和金屬構(gòu)件這些等效的天線進(jìn)行發(fā)射干擾，因而線束的輻射干擾是最嚴(yán)重的一種。由描述電磁波的Maxwell方程可知，減小射頻電磁場的強(qiáng)度，要減小高頻電流I、輻射的有效長度L或增大距離b。
（四）電磁干擾的檢測
汽車電路系統(tǒng)由蓄電池和整流的交流發(fā)電機(jī)作為核心電源，車體作為共用搭鐵，各個(gè)電器裝置并聯(lián)其上。相連的線束造成電器間彼此傳導(dǎo)干擾；相鄰的導(dǎo)線間會(huì)有感應(yīng)干擾；因?yàn)樘炀€效應(yīng)，不相鄰導(dǎo)體間又存在著輻射干擾。因而電磁干擾綜合著3種途徑，覆蓋較寬的干擾頻率。
應(yīng)用頻譜分析儀進(jìn)行電磁兼容性分析研究，檢測電磁干擾直觀且可以定量。它是一種30～1000MHz窄帶掃頻接收機(jī)，能在某一時(shí)刻接收某個(gè)頻率范圍內(nèi)的能量，記錄下不同頻段內(nèi)干擾的幅值。缺點(diǎn)是對于時(shí)間很短頻譜范圍很寬，如靜電放電這一類瞬態(tài)的脈沖干擾，不能寬頻段全貌反映實(shí)際干擾情況。常常只能數(shù)臺(tái)同時(shí)啟用進(jìn)行觀測分析。
汽車電器電磁兼容性
面對的3項(xiàng)技術(shù)問題和提高電磁兼容性的措施電子電器產(chǎn)品系統(tǒng)降噪技術(shù)在20世紀(jì)70年代已受到各國關(guān)注，至20世紀(jì)90年代美國聯(lián)邦通訊委員會(huì)（FCC）和歐盟CE先后提出對該類產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章。這些規(guī)章要求各公司確保其產(chǎn)品符合嚴(yán)格的電磁環(huán)境影響和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性（EMC）。
（一）電磁兼容性要面對的問題
汽車電器電磁兼容性需要面對的3個(gè)技術(shù)問題是：
①探討電器產(chǎn)生的電磁輻射（EME）并控制為最??；
②電源電壓的瞬變，車燈、起動(dòng)機(jī)等重負(fù)載和感性負(fù)載引起的瞬態(tài)干擾是如何惡化汽車的電磁環(huán)境的；
③如何把電磁敏感性（EMS）降低到最小。電磁敏感性（Electro-Magnetic Susceptibility）是指存在電磁騷擾的情況下，裝置設(shè)備或系統(tǒng)對自身性能降低的無作為能力。當(dāng)敏感性低時(shí)，抗擾性則強(qiáng)，足以防護(hù)電器電子產(chǎn)品免受其它系統(tǒng)有害輻射的影響。曾有EMC=EMI+EMS這樣一個(gè)模擬的公式，表示電磁兼容性是研究降低電磁干擾和降低電磁敏感性，即增強(qiáng)抗干擾能力的。
（二）提高電磁兼容性能的措施
降低電器的電磁干擾強(qiáng)度：①要降低發(fā)電機(jī)紋波電流。交流發(fā)電機(jī)是大的功率源，減小高次諧波分量可以大幅度降低傳導(dǎo)和輻射干擾，對電器而言輸入電流諧波屬于EMI；②應(yīng)在閃光器觸點(diǎn)前加電弧抑制器；③感性負(fù)載（如刮水電動(dòng)機(jī)、燃油泵、起動(dòng)機(jī)）有電刷換向器，需要濾波電容器旁路換向火花所產(chǎn)生的高頻輻射。電容要達(dá)到良好的濾波效果，它與噪聲源的公共搭鐵之間的連線要盡量短。
自由空間中的導(dǎo)線電感每毫米約為0.04nH。如果電刷產(chǎn)生的噪聲頻率為50～100MHz，當(dāng)電容連接的導(dǎo)線長度為100～150mm時(shí)，導(dǎo)線不計(jì)線間電容，則感抗XL=2πfL=3.77Ω；而0.1μF電容的容抗XC=1/（2πfC）=0.159Ω。若導(dǎo)線長度縮短為25mm，感抗僅為0.628Ω，濾波電容效果提高80％。濾波器件應(yīng)直接由噪聲源搭鐵，使回路阻抗最小，有最佳濾波效果。必須注意，有交流分量的輸入端安裝電容一定要慎重，解決EMC問題的同時(shí)，不能引起過大的漏電流，超出安全規(guī)范的規(guī)定。
在電刷上連接一個(gè)10～25μH的電感，吸收電刷通過換向器間隙時(shí)流經(jīng)電刷電流突變的能量，串聯(lián)在電路中的扼流圈和對搭鐵的旁路電容組合成低通濾波器，也能抑制傳導(dǎo)干擾。LC濾波器比單個(gè)電容有更寬的濾波帶寬，而干擾波形尖峰產(chǎn)生的輻射干擾的抑制通過屏蔽來實(shí)現(xiàn)。
同一設(shè)計(jì)的汽車電機(jī)電器產(chǎn)生的干擾，由于工藝等的差異在幅度和頻率上有很大的隨機(jī)性。有一個(gè)良好的搭鐵線，甚至將產(chǎn)生干擾的電器裝置限制在一塊公共搭鐵板上，就近接到車體或線束的屏蔽層搭鐵，才能保證濾波、屏蔽最有效。低頻電路的搭鐵，應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)搭鐵；高頻電路宜多點(diǎn)串聯(lián)搭鐵，搭鐵線短而粗，更有效抑制長搭鐵走線產(chǎn)生的共模干擾。輸入輸出元件盡量隔遠(yuǎn)些，高頻元件間要防止分布參數(shù)造成相互干擾。
合理布線，合理規(guī)劃線束，使大功率干擾電路應(yīng)盡可能緊靠負(fù)載，小功率敏感電路緊靠信號(hào)源，盡量分開大功率電路和小功率電路，減小線束間感應(yīng)干擾和輻射干擾。經(jīng)過濾波的電源線要盡量遠(yuǎn)離各種信號(hào)線，以防高頻信號(hào)耦合到電源線，造成傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。對較長的線束應(yīng)在線束上增加濾波器，常用的方法是套上鐵氧體磁環(huán)，降低傳導(dǎo)和輻射干擾。用于抑制電磁干擾的磁環(huán)不同于一般用做電感的鐵氧體，它的品質(zhì)因素Q值甚低，損耗較大。
濾波、屏蔽、優(yōu)化布線和搭鐵是4項(xiàng)EMC最常規(guī)采用的有效措施。但汽車鋼制車體總是作為直流電源回到負(fù)極的電路，既作為搭鐵線，又是射頻阻抗較小的信號(hào)回流線。所以汽車電器還采用阻尼的方法來抑制輻射。發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的中心電極對殼體通過絕緣介質(zhì)構(gòu)成電容，中心電極本身又具有電感，這樣就形成一個(gè)LC振蕩回路，火花塞的導(dǎo)線起著天線作用，以電磁波形式向空間發(fā)射，電刷與換向器、滑環(huán)間的火花，喇叭、燈開關(guān)，機(jī)械式調(diào)節(jié)器、傳感器的觸點(diǎn)開關(guān)，由于各自回路LC的差異，射頻干擾頻率范圍在0.15～1000MHz之間。點(diǎn)火裝置就是采用在高壓電路串入阻尼電阻有效削弱電火花產(chǎn)生的高頻振蕩，但過大的阻值會(huì)影響火花塞電極的能量，故一般不超過20kΩ。常采用直徑1mm的NiCrAl絲繞成，LCR并存，有良好的阻尼振蕩輻射作用。
干擾電波具有下述特性：當(dāng)從發(fā)生源臨近的地方移開時(shí)先以距離3次方的速率衰減，稍遠(yuǎn)些時(shí)，以距離二次方的速率衰減，最后隨距離線性衰減。
FCC第15部分規(guī)定30～88MHz的極限值為100μV/m。
在80MHz處，相距干擾源50cm的位置，測得輻射強(qiáng)度80μV/m，應(yīng)為合格，當(dāng)距離減小為30cm時(shí)，其輻射強(qiáng)度變?yōu)?00μV/m，是極限值100μV/m的8倍，高出18.1dB。“保護(hù)距離”的概念，是指在某種條件下使用電器設(shè)備，仍可能會(huì)產(chǎn)生干擾。當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)中都有一個(gè)高度集成的微控制器MCU，它用來完成大量的計(jì)算并實(shí)現(xiàn)有關(guān)車輛運(yùn)行的控制，包括發(fā)動(dòng)機(jī)管理和制動(dòng)控制。除MCU模塊自身滿足EMC規(guī)范外，必須使這類關(guān)鍵元器件在保護(hù)距離以內(nèi)，達(dá)到優(yōu)良的電磁兼容性能，免受其它電器電子設(shè)備干擾。
改善電磁兼容性的試驗(yàn)研究
電磁兼容性的仿真計(jì)算僅能對電器的電磁性能進(jìn)行初步粗略的估算，最終改善汽車電器的電磁兼容性須待試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。下面對2種汽車電器產(chǎn)品采用綜合改進(jìn)措施前后的干擾波形圖進(jìn)行對比。
刮水電動(dòng)機(jī)是直流永磁蝸輪減速電動(dòng)機(jī)，額定功率為60～100W，既是感性負(fù)載，又有電刷換向火花的存在，是一個(gè)大的干擾源。改善刮水電動(dòng)機(jī)的EMI性能需要改進(jìn)傳統(tǒng)的換向結(jié)構(gòu)，并在刷握近處加濾波處理。圖4是改進(jìn)前后的干擾波形圖。
用無刷直流電動(dòng)機(jī)做刮水電動(dòng)機(jī)，采用霍爾元件做位置傳感器，脈寬調(diào)制（PWM）變頻調(diào)速，在掃頻儀上可以看到3～18次的高次諧波干擾。
作為信號(hào)裝置的閃光器是典型觸點(diǎn)繼電器式的器件，觸點(diǎn)處于頻繁火花通斷工作。相連的線束上產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾，又引起較大的輻射干擾。改善EMC的措施是在線束上加套的鐵氧體磁環(huán)，和閃光器出線處連接的0.1μF電容構(gòu)成低通濾波器，抑制了傳導(dǎo)干擾，射頻干擾也得到大幅度衰減（尤其是50～100MHz段）。圖5為12V/20A的閃光器改進(jìn)前后干擾波形。
同一設(shè)計(jì)的汽車電機(jī)電器產(chǎn)生的EMI，由于元器件、布線工藝等的差異，干擾幅度和頻率上會(huì)有較大的隨機(jī)性。在定性的理論指導(dǎo)下，采取1～2項(xiàng)或綜合的改進(jìn)措施，統(tǒng)一工藝規(guī)范，反復(fù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)，都能達(dá)到滿意的結(jié)果。
結(jié)語
我國對汽車電器電子設(shè)備電磁兼容性系統(tǒng)研究起步較晚，目前已日益受到重視，這對提高汽車產(chǎn)品出口競爭力至關(guān)重要。電磁兼容性出口的CE或FCC認(rèn)證費(fèi)用十分昂貴，提高認(rèn)識(shí)，及時(shí)調(diào)整好各項(xiàng)參數(shù)，可以縮短認(rèn)證周期，降低成本，使我國出口產(chǎn)品具有優(yōu)秀的EMC品質(zhì)，品質(zhì)穩(wěn)步提高。
評(píng)論