汽車環(huán)境下的電磁干擾 (EMI)

　　Greg Bella 莫仕（Molex）首席工程師

　　Jeff Ciarlette 莫仕（Molex）電氣工程師主管

　　0 引言

　　“電磁兼容性”對于開發(fā)未來車輛面臨的一個主要的挑戰(zhàn)已經存在了一百多年。任何電子設備都會產生電磁輻射，其中有一些是有意發(fā)生的（例如 Wi-Fi 發(fā)射機的頻率），而另一些則是無意的（例如車輛中各種電氣元件產生的能量）。它們會一起構成設備的“EMI 特性”；而且，電磁兼容性 (EMC) 就是這些電子設備與EMI 和諧共存而不會產生中斷、干擾或者其他不必要及不良結果的能力。

　　從無線電時代最早的時候開始就努力來減輕穿過通路并且相互碰撞到一起的各種信號（那時是無線電信號，現在則是無線信號）造成的擁塞。早些時候，汽車中并不存在很多的電子元件，而調幅廣播則被視為是一種高端的技術。對于汽車工程師們來說，重要的一點就是需要避免使用可能無意中生成與調幅廣播的頻率范圍 (525 kHz~1705 kHz) 相同的系統。具有“EMI 特性”、在該頻率范圍內具有高發(fā)射頻率的設備會與調幅廣播的信道發(fā)生干擾，進而在無線電揚聲器上產生嘈雜的嗡嗡聲或者靜電噪聲。

　　汽車制造商長期以來一直面臨著 EMI問題，并且，隨著車輛越來越多地引入電子設備，包括 GPS、Wi-Fi、藍牙、信息娛樂系統、調幅/調頻/衛(wèi)星廣播、功率逆變器、USB 數據、USB 充電器、無線充電器、CAN/LIN 總線、攝像頭、雷達及以太網主干/網關等等，在EMI 管理上出現的挑戰(zhàn)已經在以指數方式增長。

　　另外消費者們也在將外部設備和便攜設備加入到車輛中，那些設備的 EMI 特性和頻譜會發(fā)生重疊，有一定的危險，而這只會加劇對于減輕干擾的需求。

　　1 EMI 及其對互連車輛和自動駕駛車輛的影響

　　隨著汽車制造商對需要最高程度的安全性與高性能的智能車輛和自動駕駛車輛的不斷開發(fā)，將許多電氣系統和電子系統安放到汽車之類密閉的空間中，意味著降低電磁干擾要比以往任何時候都重要。汽車制造商必須認真細致地確定并實施電磁兼容性上的規(guī)范，從而確保電子設備相互之間不會產生干擾，否則會導致設備或系統的性能不盡如人意，或者在更糟糕的情況下產生危險的后果。

　　充分了解一個具體的汽車網絡中存在的全部 EMI 特性以及潛在的兼容性問題，并不是一件簡單的任務，而在考慮到安全性的情況下，這項工作尤其重要。例如，在調幅無線電臺上以噪聲的形式表現出來的干擾當然不是理想的情況；然而，如果一臺設備造成的干擾會使汽車的轉向和制動系統的預期性能發(fā)生中斷，并且危及乘客的安全，那么風險會更加值得關注。

　　本文將探討一些基本類型的電磁兼容性 (EMC) 測試，以及驗證電子設備是否適合汽車應用使用的一些必需的具體測試。

　　1.1 輻射發(fā)射與傳導發(fā)射

　　首先，非常重要的一點是要充分了解必須考慮并減輕的各種類型的發(fā)射。

　　電子設備會將電磁能輻射到空中，而這種能量可以劃分為有意或者是無意的。舉例來說，手機會有意地發(fā)出噪聲。分類為有意的原因在于，手機必須在空中連接到手機發(fā)射塔。由于電磁兼容性的緣故，我們?yōu)橛幸獾陌l(fā)射施加了功率極限和譜特性。

　　但是，一些電子設備也會無意地輻射出噪聲，與有意的噪聲不同的是，這類噪聲往往可以在強度上有所減低并受到控制。有很多方法可以行之有效地降低無意的輻射噪聲，包括添加金屬遮蔽、改進印刷電路板 (PCB)的布局，或者戰(zhàn)略性地加入共模扼流圈、鐵素體、電阻器和電容器等等之類的濾波裝置。

　　電子設備在連接到設備本身的接線上可以發(fā)出稱為傳導發(fā)射的噪聲。常見的互聯接線的例子包括電力線束、USB 電纜和以太網電纜等等。在某些情況下，電纜上的傳導噪聲（傳導發(fā)射）可以轉換成空中的噪聲（輻射發(fā)射），成為“嘈雜的”電纜，這種電纜可以發(fā)揮天線的作用，將傳導發(fā)射轉換為輻射發(fā)射。

　　2 測試方法與測試參數

　　由于車輛處于不斷的運動中，幾乎可以行駛到任何地方，因此汽車制造商必須按照最壞情況進行假設并從事設計，同時還必須在成本最低的條件下實現能提供極高可靠性的解決方案。答案就在這里：最優(yōu)的電磁兼容(EMC) 設計并選擇最好的 EMI 屏蔽材料，這就要求不僅在設計階段、而且還要在測試和仿真階段達到極高的精度（如圖1和2）。

　　由于輻射發(fā)射通過空氣來傳播，因此可以采用校準的天線設置進行測量。必須采用以各種方向（垂直、水平，等等）來排列的多種類型的天線，從而捕捉到整個頻率范圍。

　　在考慮到輻射發(fā)射和傳導發(fā)射的測試設置、功率極限和頻率范圍時，汽車制造商制定了具體而又嚴格的要求，并且還必須確保測量技術以及合格/不合格的標準符合自身的要求。如果標準過于嚴格，則意味著要花費過多的成本來減輕噪聲，而標準太過寬松則會無意中與其他電子設備產生干擾，造成與 EMI 有關的問題。

　　輻射發(fā)射的測試范圍通常在 100 kHz ~ 2 GHz，需要3種不同類型的天線來覆蓋整個范圍。設置內容包括DUT（被測器件）、DUT布線、GND 銅板架、前置放大器、計算機、電源、光纖數據轉換器以及頻譜分析儀。

　　汽車制造商還必須指定要接受測試的多種 DUT操作模式。例如，USB 端口的操作模式只包括閃存盤的讀寫，而其他操作模式則可能要求 USB 端口提供最大的充電電流，同時另一種操作模式則可能包含將手機連接到USB 端口，從而啟動 Apple Carplay 或者 AndroidAuto。然后，測試階段就必須考慮到全部變量。

　　2.1 輻射抗擾度和傳導抗擾度測試

　　輻射抗擾度和傳導抗擾度測試的目的是確定當存在嘈雜的干擾的情況下，DUT 的性能如何。輻射發(fā)射和傳導發(fā)射的通過限值必須始終低于輻射抗擾度和傳導抗擾度的通過限值（如圖3）。一臺設備的輻射發(fā)射必須低于鄰近設備的輻射抗擾度容許公差，否則就會造成不良操作。

　　輻射抗擾度測試可確定當電磁干擾信號在空中穿過的情況下DUT 的性能如何。必須采用校準的噪聲源，在發(fā)射天線對準 DUT 的條件下進行測試。

　　傳導抗擾度測試可確定進入到電纜（例如電力線束、USB電纜或者以太網電纜）中的干擾信號在連接到DUT 的情況下 DUT 的性能如何。汽車制造商通常會指定測試多種 DUT 操作模式，并且還將指定預期的狀態(tài)級別響應。例如：

　　1）狀態(tài) 1 響應——可能是“無響應”。這意味著在抗擾度測試過程中，設備必須在各種操作模式下正確工作，而不會出現明顯的性能降級。

　　2）狀態(tài) 2 響應——可能會出現明顯的響應，但是在關掉干擾信號后必須自動恢復。

　　3）狀態(tài) 3 響應——會出現明顯的響應，并且在排除掉干擾后需要用戶干預，從而返回到正常操作（點火循環(huán)）。

　　舉例：指定在DUT 操作模式下使用 USB 端口來播放閃存盤上的音樂。指定狀態(tài) 1 意味著，在測試期間音樂將繼續(xù)播放而不會出現明顯的性能降級（無靜電、無中斷等等）。對于 EMC 有無數個類型的測試設置，包括：便攜式發(fā)射機；大電流注入器；耦合抗擾度。

　　2.1.1 便攜式發(fā)射機測試設置

　　一種特定類型的輻射抗擾度測試稱為“便攜式發(fā)射機”。該測試會測試 DUT 對于手機和手持式雙向無線對講機之類設備的抗擾度。如圖3。

　　2.1.2 大電流注入測試設置

　　一種特定類型的傳導抗擾度測試稱為“大電流注入”(BCI)。該方法會穿過一個磁場來路由用戶的電纜和線束，從而模擬窄帶輻射電磁能。如圖4。

　　2.1.3 耦合抗擾度測試設置

　　還有一種傳導抗擾度測試稱為“耦合抗擾度”。該測試可模擬在同一線纜束或相鄰線纜束中路由到干擾線的 DUT 電纜。然后接受測試的 DUT 電線/電纜將在1 m的長度內連接到干擾信號。如圖5。

　　2.1.4 其他抗擾度測試

　　可以模仿車輛中苛刻的電氣環(huán)境。其中一些測試包括如下。

　　1）靜電放電 (ESD) ： 一項重要的電磁兼容性(EMC) 測試。IEC 標準IEC61000-4-2是一項廣泛采用的標準，可以測試電子設備的 ESD 抗擾度。（來源：https:// ieeexplore.ieee.org/document/1282319）

　　2）電源線干擾：瞬時壓降（振動和連接器）、啟停電池壓降、溫暖曲柄壓降。

　　3）瞬態(tài)干擾：繼電器震顫耦合、電動遙控鎖電感負載、觸點電弧、觸點顫動。

　　4）功率循環(huán)：車輛發(fā)動機啟動過程中的點火循環(huán)電壓波動。

　　5）電壓過大：負載突降（交流發(fā)電機生成充電電流并且在其他電力負載已連接的情況下，電池斷開）、跳線跨接啟動、交流發(fā)電機失控、變換極性。

　　3 結論

　　將大量的電氣系統和電子系統安放到極其有限的空間當中，會帶來使這些汽車系統的電磁干擾免于通過輻射發(fā)射和傳導發(fā)射而產生相互干擾的問題。如果不正確的進行控制，那么產生的干擾會造成系統故障或者在某些情況下徹底失效。

　　莫仕的互連車輛團隊經驗豐富，引入了由各種汽車業(yè)解決方案、途徑和方法組成的久經考驗的產品組合，用于對電磁發(fā)射和相關技術進行控制，從而使電子設備良好的耐受電磁干擾。

　　本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第7期第85頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處