汽車(chē)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(kāi)發(fā)未來(lái)車(chē)輛面臨的一個(gè)主要的挑戰已經(jīng)存在了一百多年。任何電子設備都會(huì )產(chǎn)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(wú)意的（例如車(chē)輛中各種電氣元件產(chǎn)生的能量）。它們會(huì )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(huì )產(chǎn)生中斷、干擾或者其他不必要及不良結果的能力。

　　從無(wú)線(xiàn)電時(shí)代最早的時(shí)候開(kāi)始就努力來(lái)減輕穿過(guò)通路并且相互碰撞到一起的各種信號（那時(shí)是無(wú)線(xiàn)電信號，現在則是無(wú)線(xiàn)信號）造成的擁塞。早些時(shí)候，汽車(chē)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(shù)。對于汽車(chē)工程師們來(lái)說(shuō)，重要的一點(diǎn)就是需要避免使用可能無(wú)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(huì )與調幅廣播的信道發(fā)生干擾，進(jìn)而在無(wú)線(xiàn)電揚聲器上產(chǎn)生嘈雜的嗡嗡聲或者靜電噪聲。

　　汽車(chē)制造商長(cháng)期以來(lái)一直面臨著(zhù) EMI問(wèn)題，并且，隨著(zhù)車(chē)輛越來(lái)越多地引入電子設備，包括 GPS、Wi-Fi、藍牙、信息娛樂(lè )系統、調幅/調頻/衛星廣播、功率逆變器、USB 數據、USB 充電器、無(wú)線(xiàn)充電器、CAN/LIN 總線(xiàn)、攝像頭、雷達及以太網(wǎng)主干/網(wǎng)關(guān)等等，在EMI 管理上出現的挑戰已經(jīng)在以指數方式增長(cháng)。

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

　　1 EMI 及其對互連車(chē)輛和自動(dòng)駕駛車(chē)輛的影響

　　隨著(zhù)汽車(chē)制造商對需要最高程度的安全性與高性能的智能車(chē)輛和自動(dòng)駕駛車(chē)輛的不斷開(kāi)發(fā)，將許多電氣系統和電子系統安放到汽車(chē)之類(lèi)密閉的空間中，意味著(zhù)降低電磁干擾要比以往任何時(shí)候都重要。汽車(chē)制造商必須認真細致地確定并實(shí)施電磁兼容性上的規范，從而確保電子設備相互之間不會(huì )產(chǎn)生干擾，否則會(huì )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(chǎn)生危險的后果。

　　充分了解一個(gè)具體的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )中存在的全部 EMI 特性以及潛在的兼容性問(wèn)題，并不是一件簡(jiǎn)單的任務(wù)，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(wú)線(xiàn)電臺上以噪聲的形式表現出來(lái)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(huì )使汽車(chē)的轉向和制動(dòng)系統的預期性能發(fā)生中斷，并且危及乘客的安全，那么風(fēng)險會(huì )更加值得關(guān)注。

　　本文將探討一些基本類(lèi)型的電磁兼容性 (EMC) 測試，以及驗證電子設備是否適合汽車(chē)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(diǎn)是要充分了解必須考慮并減輕的各種類(lèi)型的發(fā)射。

　　電子設備會(huì )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(wú)意的。舉例來(lái)說(shuō)，手機會(huì )有意地發(fā)出噪聲。分類(lèi)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(huì )無(wú)意地輻射出噪聲，與有意的噪聲不同的是，這類(lèi)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(wú)意的輻射噪聲，包括添加金屬遮蔽、改進(jìn)印刷電路板 (PCB)的布局，或者戰略性地加入共模扼流圈、鐵素體、電阻器和電容器等等之類(lèi)的濾波裝置。

　　電子設備在連接到設備本身的接線(xiàn)上可以發(fā)出稱(chēng)為傳導發(fā)射的噪聲。常見(jiàn)的互聯(lián)接線(xiàn)的例子包括電力線(xiàn)束、USB 電纜和以太網(wǎng)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(xiàn)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(chē)輛處于不斷的運動(dòng)中，幾乎可以行駛到任何地方，因此汽車(chē)制造商必須按照最壞情況進(jìn)行假設并從事設計，同時(shí)還必須在成本最低的條件下實(shí)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(guò)空氣來(lái)傳播，因此可以采用校準的天線(xiàn)設置進(jìn)行測量。必須采用以各種方向（垂直、水平，等等）來(lái)排列的多種類(lèi)型的天線(xiàn)，從而捕捉到整個(gè)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(shí)，汽車(chē)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(shù)以及合格/不合格的標準符合自身的要求。如果標準過(guò)于嚴格，則意味著(zhù)要花費過(guò)多的成本來(lái)減輕噪聲，而標準太過(guò)寬松則會(huì )無(wú)意中與其他電子設備產(chǎn)生干擾，造成與 EMI 有關(guān)的問(wèn)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(lèi)型的天線(xiàn)來(lái)覆蓋整個(gè)范圍。設置內容包括DUT（被測器件）、DUT布線(xiàn)、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(chē)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(pán)的讀寫(xiě)，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(shí)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(dòng) 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(guò)限值必須始終低于輻射抗擾度和傳導抗擾度的通過(guò)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(huì )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(guò)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(xiàn)對準 DUT 的條件下進(jìn)行測試。

　　傳導抗擾度測試可確定進(jìn)入到電纜（例如電力線(xiàn)束、USB電纜或者以太網(wǎng)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(chē)制造商通常會(huì )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(wú)響應”。這意味著(zhù)在抗擾度測試過(guò)程中，設備必須在各種操作模式下正確工作，而不會(huì )出現明顯的性能降級。

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

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

　　舉例：指定在DUT 操作模式下使用 USB 端口來(lái)播放閃存盤(pán)上的音樂(lè )。指定狀態(tài) 1 意味著(zhù)，在測試期間音樂(lè )將繼續播放而不會(huì )出現明顯的性能降級（無(wú)靜電、無(wú)中斷等等）。對于 EMC 有無(wú)數個(gè)類(lèi)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(lèi)型的輻射抗擾度測試稱(chēng)為“便攜式發(fā)射機”。該測試會(huì )測試 DUT 對于手機和手持式雙向無(wú)線(xiàn)對講機之類(lèi)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(lèi)型的傳導抗擾度測試稱(chēng)為“大電流注入”(BCI)。該方法會(huì )穿過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)來(lái)路由用戶(hù)的電纜和線(xiàn)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(chēng)為“耦合抗擾度”。該測試可模擬在同一線(xiàn)纜束或相鄰線(xiàn)纜束中路由到干擾線(xiàn)的 DUT 電纜。然后接受測試的 DUT 電線(xiàn)/電纜將在1 m的長(cháng)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(chē)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(lái)源：https:// ieeexplore.ieee.org/document/1282319）

　　2）電源線(xiàn)干擾：瞬時(shí)壓降（振動(dòng)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(dòng)遙控鎖電感負載、觸點(diǎn)電弧、觸點(diǎn)顫動(dòng)。

　　4）功率循環(huán)：車(chē)輛發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)過(guò)程中的點(diǎn)火循環(huán)電壓波動(dòng)。

　　5）電壓過(guò)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(kāi)）、跳線(xiàn)跨接啟動(dòng)、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(huì )帶來(lái)使這些汽車(chē)系統的電磁干擾免于通過(guò)輻射發(fā)射和傳導發(fā)射而產(chǎn)生相互干擾的問(wèn)題。如果不正確的進(jìn)行控制，那么產(chǎn)生的干擾會(huì )造成系統故障或者在某些情況下徹底失效。

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

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第85頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處