行車安全擺第一　車輛EMI問題不可輕忽

　　這些汽車電子產(chǎn)品以現(xiàn)今發(fā)展趨勢來看，已經(jīng)不只是以往的單一功能，而是多種功能的系統(tǒng)。此類系統(tǒng)產(chǎn)品復合性功能越來越強大且傳輸速度越來越快，系統(tǒng)內(nèi)部電子線路也越來越密集與復雜，而所產(chǎn)生的車輛電磁干擾（EMI）主要來源往往都是存在于車內(nèi)電子產(chǎn)品內(nèi)，使車輛產(chǎn)生較以往更嚴重的電磁干擾問題，將直接或間接藉由車輛連接線路影響整車系統(tǒng)。

　　如果不適當解決電磁干擾問題，不僅容易使內(nèi)部電裝部品相互干擾，更會危及到行車安全，因此車輛電磁干擾問題變成了設計上的主要工作及挑戰(zhàn)。除了產(chǎn)品功能性提高且對電路設計的技術水準要求越來越高外，也必須開始對產(chǎn)品中各個印刷電路板（PCB）與電路上集成電路（IC）的電磁干擾問題，展開研究及利用量測技術加以防制。

　　正視汽車電子產(chǎn)品EMI問題

　　以往解決這些車輛電磁干擾的問題，往往是都是當車輛設計完成并組裝后經(jīng)過整車測試，才發(fā)現(xiàn)存在不少電磁干擾問題，因此盲目針對車內(nèi)有可能造成電磁干擾問題之電裝部品進行抑制對策，而缺少全盤系統(tǒng)性的整車電磁干擾設計規(guī)畫，以至于無法有共通性及有效地解決電磁輻射問題，甚至越趨于嚴重。

　　車輛在解決電磁干擾問題方面，需要在設計單一功能電路或整合系統(tǒng)之初即考慮電磁干擾問題，并加以因應或是降低干擾源。事先的防范比完成開發(fā)后進行補救所花費的成本更為降低。

　　目前車輛中心協(xié)助廠商進行整車改良時，將電磁干擾問題主要區(qū)分為通訊類產(chǎn)品中的「無線通信系統(tǒng)干擾」、進行PCB板布局（Layout）時的「電路 PCB板電磁干擾」、電子零件本身的「主被動電子零件電磁干擾」及電源輸入端上所帶來的「電源干擾」四種，這些都是會發(fā)生在車輛上的電磁干擾原因且較嚴重。

　　? 無線通信系統(tǒng)干擾

　　隨著無線通信的產(chǎn)品發(fā)展與應用，逐漸地導入車輛電子產(chǎn)品的范疇，各個系統(tǒng)之間皆會產(chǎn)生干擾噪聲而造成本體或是其他通訊頻段的訊號接收與傳輸性能不良，如數(shù)據(jù)速率（Data Rate）降低、傳輸距離變短等可能問題。此種無線通信的載臺噪聲（Platform Noise）主要因為多個意圖發(fā)射的組件或模塊一起緊密建置于系統(tǒng)內(nèi)時，同時動作或是在設計不良的情況下所造成互相干擾。其干擾源已經(jīng)造成電裝部品與電裝部品或是系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的電磁干擾問題，嚴重的話，更會影響到系統(tǒng)內(nèi)功能模塊與模塊之間的傳輸效率降低。因此，針對數(shù)字無線通信產(chǎn)品除了應加強降低本身產(chǎn)生噪聲外，并且須進一步透過儀器及仿真軟件對本身系統(tǒng)平臺（如中央處理器、內(nèi)存）、外部連接器（如USB）和內(nèi)部無線芯片組/模塊（如802.11a/b /g/n、藍牙、GPS）加以分析計算，找出較佳的電路設計與傳輸路徑，避免相互干擾，盡可能將干擾程度降低。

　　? 電路PCB板的電磁干擾

　　目前車用電子產(chǎn)品功能性復雜化且操作頻率不斷地提高，印刷電路板由早期的單面板演變成多層板，體積也由大變小，可進行布局空間及主被動電子零件擺放位置不足，使電路中的單位密度組件增加，造成印刷電路板的電磁干擾問題越來越嚴重。在多元及系統(tǒng)化功能的設計之下，電路上增加相當多的主動性組件，如振蕩器、微控制器（MCU）等等，且傳輸速度及數(shù)據(jù)增加，工作頻率上升，所造成電磁干擾現(xiàn)象也愈來越大。此外，過去的單一方向模擬傳輸訊號，轉變成數(shù)字差模傳輸，如 CAN及RF PCB傳輸線，也逐漸在車用產(chǎn)品上被大量采用。所以，印刷電路板上干擾問題須透過組件適當擺置、合理導線布置及接地系統(tǒng)設計、訊號頻型的區(qū)隔等方式，進一步進行優(yōu)化設計，如利用印刷電路板仿真軟件進行系統(tǒng)化分析，藉此修改布局的走線方式。

　　? 主被動電子零件電磁干擾

　　目前車用IC功能越來越強、操作速度越來越快、應用越來越廣泛，使得目前信息通訊與車輛產(chǎn)業(yè)在系統(tǒng)整合時所造成的電磁干擾問題也越來越嚴重，IC電路已成為車用電子系統(tǒng)之整體電磁干擾的主要來源之一，使用系統(tǒng)芯片來實現(xiàn)整合混合訊號（Mixed-signal）功能與高速I/O接口將是未來趨勢，同時由于低電壓制程技術的普及，IC經(jīng)封裝后，使得IC內(nèi)部系統(tǒng)與芯片層級的訊號與電源完整性易受到電磁噪聲干擾。因此在開發(fā)設計產(chǎn)品時，如能要求芯片廠提供IC 電磁干擾數(shù)據(jù)參考，并選用低噪聲的IC組件，將可減小后續(xù)帶來的電磁干擾問題。

　　? 電源干擾

　　目前車輛各種電裝部品，都各自設計所屬專用電源，耗電量較大之電裝部品采用切換式電源設計方式，如利用脈沖寬度調(diào)變（PWM）IC驅(qū)動金屬氧化物半導體場效晶體管（MOSFET）達到可調(diào)變及穩(wěn)定電壓供給產(chǎn)品使用，但在電壓的轉換過程中，因為高速的電壓切換頻率及由PWM IC基頻所引起的諧波噪聲，這些噪聲就是主要的電磁干擾來源，會經(jīng)由本體或線路以輻射或傳導方式，造成產(chǎn)品電磁干擾問題，最典型例子就是電動車上的直流對直流（DC-DC）轉換器，主要的功能為高電壓轉成低電壓供給車內(nèi)部品使用，而于整車電磁干擾測試時易受到因直流對直流轉換器零部品而造成量測值過高現(xiàn)象 （圖1）。因此，不管是車內(nèi)電裝部品或是單獨的車用電源轉換器，在電源端的電路設計加入適當濾波對策組件（如一、二階以上的π型濾波器、電容、電感等）或是屏蔽以防止電源噪聲，都能有效降低產(chǎn)品電磁干擾

　　圖1　由直流對直流轉換器產(chǎn)生的干擾值

　　揪出整車電磁干擾來源

　　由上述得知，現(xiàn)代電子技術在車輛上的大量使用，各種3C、通訊及影音等多樣化產(chǎn)品已占據(jù)車輛總成本的40%以上，甚至更多，并且車用電子通訊設備日漸普及化，寬帶時代的定位系統(tǒng)、天線、自動停車系統(tǒng)、多媒體娛樂系統(tǒng)、車載信息整合、遠距離醫(yī)療、自動轉向等高科技的電子產(chǎn)品都成為車內(nèi)配備。

　　另一重要環(huán)節(jié)就是行車安全部分，主被動安全系統(tǒng)的電子產(chǎn)品開發(fā)，也成為車輛標準配備之一。車用電子開發(fā)技術或是各種車種的開發(fā)與應用，提升了車輛的性能及價值，也大大滿足人類需求上的方便性、舒適性，同時也帶來日漸嚴重及復雜電磁干擾問題。

　　在車輛狹小空間中存在不同類型電裝部品，彼此之間就很容易相互產(chǎn)生電磁干擾，不是成為干擾源，就是被干擾導致喪失主要功能性，因此如何找尋電磁干擾源，并且達成符合電磁干擾規(guī)范要求，是目前主要須克服的難題之一。

　　現(xiàn)今臺灣法規(guī)已執(zhí)行的車輛電磁兼容驗證法規(guī)，為交通部「車輛安全檢測基準第五十六之一、電磁兼容性」（以下簡稱56-1法規(guī)），內(nèi)容包含各種車輛之測試方法，且在輻射干擾測試上共分兩大類，包含寬帶干擾與窄頻干擾。

　　依據(jù)56-1法規(guī)定義，車輛在測試過程中必須開啟車輛引擎或是車輛內(nèi)電裝零部品進行測試， 如表1所示分類。

　　? 寬帶干擾測試

　　主要為開啟車輛的引擎、點火系統(tǒng)、電動馬達、等進行測試，量測出由電動機內(nèi)之換相裝置因接觸通電而發(fā)生的干擾，如有刷馬達在換向過程是極快速之電流及電壓的變換，而產(chǎn)生寬帶干擾。

　　? 窄頻干擾測試

　　主要開啟車輛上具有數(shù)字訊號或是通訊系統(tǒng)的電裝部品，如影音系統(tǒng)或抬頭顯示器等進行測試，目的在于量測出由高速數(shù)字回路的0與1高速交換所引發(fā)的窄頻干擾。上述此兩種噪聲干擾都會經(jīng)由輻射或傳導的方式相互影響，并產(chǎn)生不可預期的電磁干擾異?，F(xiàn)象。

　　在執(zhí)行整車電磁干擾測試時，車輛寬窄頻干擾測試的量測方式不同，而車輛的動力因驅(qū)動方式不同，設定測試條件參數(shù)亦會不同，如以內(nèi)燃機為動力的車輛，量測時車輛引擎轉速須視汽缸數(shù)量來區(qū)分，如表2設定條件。

　　以電動車輛進行量測時，動力驅(qū)動系統(tǒng)中的電動馬達運轉須定速40km/h。而窄頻噪聲測試主要量測由車上內(nèi)部電裝部品中微處理器電路或是窄頻發(fā)射源，如燈具、儀表板等，所產(chǎn)生的窄頻電磁擾動且引擎為靜止狀態(tài)，如表3所示。

　　圖2　整車量測配置示意圖

　　車輛中心整車電磁兼容（EMC）實驗室整車電磁干擾的量測天線距車輛為10公尺（m），并對準車輛引擎中心進行測試，如圖2為整車量測配置示意圖，其檢測基準的寬窄頻輻射干擾限制值如圖3所示。

　　圖3　車輛內(nèi)裝系統(tǒng)的發(fā)展

　　對癥下藥 排除EMI

　　圖4　電磁干擾改良驗證流程

　　由上述所提到車輛內(nèi)部加載眾多電裝部品，但要在這些電裝部品中分辨出輻射干擾較高的部品并加以防制，以符合整車電磁干擾規(guī)范的要求，須先進行整車電磁干擾量測；在測試結果中如有寬帶與窄頻之量測值超出限制值時，可利用圖4之電磁干擾改良驗證流程中步驟1～3，先行找出輻射干擾的電裝部品再進行改良。此驗證流程主要是以車內(nèi)電裝部品電源開啟的時間不同，而進行量測測試分析，或是利用零組件測試結果進行分析，皆可有效找出相對應干擾源的電裝部品。

　　在進行整車電磁干擾測試后，常有量測結果超出限制值時，必須尋找干擾源并進行改良，其改良的手法不外乎使用隔離、屏蔽，但往往都是治標不治本，對于往后量產(chǎn)造成困擾。

　　圖5　車廠電裝部品開發(fā)流程

　　為了能簡單且有效解決電磁干擾問題，及確保電裝部品電磁干擾特性，正規(guī)車廠均會參考各市場或是法規(guī)、標準等試驗方法，自行制定更嚴謹及符合車廠需求之車輛零組件測試標準，并要求零組件廠商進行測試，進而確認產(chǎn)品符合相關電磁干擾特性要求（圖5），以便未來進行整車開發(fā)與測試時，可降低系統(tǒng)問題與解決問題時之參考依據(jù)，如圖6所示的車輛開發(fā)流程。

　　圖6　車輛開發(fā)流程

　　EMC實驗室提供對策良方

　　由上述得知，車輛電磁兼容問題存在整車系統(tǒng)或是車內(nèi)單一電裝部品，一般而言都必須經(jīng)由 相當測試驗證后，才可以得知干擾源，而測試方法須依循法規(guī)或國際標準，使產(chǎn)品獲得重要的認證及產(chǎn)品電磁兼容特性要求，因此具有車廠認可、執(zhí)行法規(guī)及設備完善的電磁兼容實驗室更顯得重要性。

　　車輛中心于2003年首先完成車輛零組件驗證實驗室能量后，已陸續(xù)獲得交通部、全國認證基金會（TAF）、德國TUV、西班牙IDIADA、美國 A2LA與美國三大車廠（GM、Ford、Chrysler）認可實驗室，于2013年，更進一步完成大巴士等級整車電磁兼容實驗室建置，加入國內(nèi)整車電磁兼容檢測服務行列，故車輛中心從車輛零組件至各類型車輛都有完善的測試驗證能量。實驗室并提供先進改良診斷設備與裝置可讓客戶使用及利用，如光電轉換器、示波器、網(wǎng)絡分析儀、印刷電路板掃描儀（PCB Scanner）等等。

　　車輛中心于車用產(chǎn)品電磁兼容問題改良上亦有豐富經(jīng)驗及成果，包含車用多媒體主機、電動機車、電動車等，因此電磁兼容改良工程師可協(xié)助提供客戶測試咨詢、產(chǎn)品偵錯及改良建議，并可提供電磁仿真軟件先為客戶的產(chǎn)品進行分析后，再進一步改良，解決電磁干擾問題。

　　汽車相關電子產(chǎn)品需求大增，車輛電裝部品及整車的電磁兼容測試更顯重要，現(xiàn)今透過車輛研究中心的整車/零組件電磁兼容實驗室，可提供整體從產(chǎn)品開發(fā)到驗證完整測試，及產(chǎn)品偵錯改良技術咨詢與對策方案，有助于提升廠商自主技術的建立與經(jīng)驗，并可節(jié)省研發(fā)及測試時間，降低開發(fā)測試成本，以掌握產(chǎn)品上市的時效性，爭取更多訂單。

　　在國際上，車輛電磁兼容皆已有相關法規(guī)及標準等規(guī)定，因此成為車輛發(fā)展的重點項目之一，不管是整車或是電裝部品都須透過完善的實驗室測試，以確保符合相關規(guī)范的限制要求，以保障駕駛人行車安全。