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(duì)于開發(fā)未來車輛面臨的一個(gè)主要的挑戰(zhàn)已經(jīng)存在了一百多年。任何電子設(shè)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(jī)的頻率），而另一些則是無意的（例如車輛中各種電氣元件產(chǎn)生的能量）。它們會(huì)一起構(gòu)成設(shè)備的“EMI 特性”；而且，電磁兼容性 (EMC) 就是這些電子設(shè)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(jié)果的能力。

　　從無線電時(shí)代最早的時(shí)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(hào)（那時(shí)是無線電信號(hào)，現(xiàn)在則是無線信號(hào)）造成的擁塞。早些時(shí)候，汽車中并不存在很多的電子元件，而調(diào)幅廣播則被視為是一種高端的技術(shù)。對(duì)于汽車工程師們來說，重要的一點(diǎn)就是需要避免使用可能無意中生成與調(diào)幅廣播的頻率范圍 (525 kHz~1705 kHz) 相同的系統(tǒng)。具有“EMI 特性”、在該頻率范圍內(nèi)具有高發(fā)射頻率的設(shè)備會(huì)與調(diào)幅廣播的信道發(fā)生干擾，進(jìn)而在無線電揚(yáng)聲器上產(chǎn)生嘈雜的嗡嗡聲或者靜電噪聲。

　　汽車制造商長(zhǎng)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(shè)備，包括 GPS、Wi-Fi、藍(lán)牙、信息娛樂系統(tǒng)、調(diào)幅/調(diào)頻/衛(wèi)星廣播、功率逆變器、USB 數(shù)據(jù)、USB 充電器、無線充電器、CAN/LIN 總線、攝像頭、雷達(dá)及以太網(wǎng)主干/網(wǎng)關(guān)等等，在EMI 管理上出現(xiàn)的挑戰(zhàn)已經(jīng)在以指數(shù)方式增長(zhǎng)。

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

　　1 EMI 及其對(duì)互連車輛和自動(dòng)駕駛車輛的影響

　　隨著汽車制造商對(duì)需要最高程度的安全性與高性能的智能車輛和自動(dòng)駕駛車輛的不斷開發(fā)，將許多電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)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(shí)候都重要。汽車制造商必須認(rèn)真細(xì)致地確定并實(shí)施電磁兼容性上的規(guī)范，從而確保電子設(shè)備相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或系統(tǒng)的性能不盡如人意，或者在更糟糕的情況下產(chǎn)生危險(xiǎn)的后果。

　　充分了解一個(gè)具體的汽車網(wǎng)絡(luò)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(jiǎn)單的任務(wù)，而在考慮到安全性的情況下，這項(xiàng)工作尤其重要。例如，在調(diào)幅無線電臺(tái)上以噪聲的形式表現(xiàn)出來的干擾當(dāng)然不是理想的情況；然而，如果一臺(tái)設(shè)備造成的干擾會(huì)使汽車的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)期性能發(fā)生中斷，并且危及乘客的安全，那么風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更加值得關(guān)注。

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

　　1.1 輻射發(fā)射與傳導(dǎo)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型的發(fā)射。

　　電子設(shè)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意的。舉例來說，手機(jī)會(huì)有意地發(fā)出噪聲。分類為有意的原因在于，手機(jī)必須在空中連接到手機(jī)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(shè)備也會(huì)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(qiáng)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(jìn)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(shè)備在連接到設(shè)備本身的接線上可以發(fā)出稱為傳導(dǎo)發(fā)射的噪聲。常見的互聯(lián)接線的例子包括電力線束、USB 電纜和以太網(wǎng)電纜等等。在某些情況下，電纜上的傳導(dǎo)噪聲（傳導(dǎo)發(fā)射）可以轉(zhuǎn)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(dǎo)發(fā)射轉(zhuǎn)換為輻射發(fā)射。

　　2 測(cè)試方法與測(cè)試參數(shù)

　　由于車輛處于不斷的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行假設(shè)并從事設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須在成本最低的條件下實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)并選擇最好的 EMI 屏蔽材料，這就要求不僅在設(shè)計(jì)階段、而且還要在測(cè)試和仿真階段達(dá)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(zhǔn)的天線設(shè)置進(jìn)行測(cè)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(gè)頻率范圍。

　　在考慮到輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射的測(cè)試設(shè)置、功率極限和頻率范圍時(shí)，汽車制造商制定了具體而又嚴(yán)格的要求，并且還必須確保測(cè)量技術(shù)以及合格/不合格的標(biāo)準(zhǔn)符合自身的要求。如果標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格，則意味著要花費(fèi)過多的成本來減輕噪聲，而標(biāo)準(zhǔn)太過寬松則會(huì)無意中與其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，造成與 EMI 有關(guān)的問題。

　　輻射發(fā)射的測(cè)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(gè)范圍。設(shè)置內(nèi)容包括DUT（被測(cè)器件）、DUT布線、GND 銅板架、前置放大器、計(jì)算機(jī)、電源、光纖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及頻譜分析儀。

　　汽車制造商還必須指定要接受測(cè)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(shí)另一種操作模式則可能包含將手機(jī)連接到USB 端口，從而啟動(dòng) Apple Carplay 或者 AndroidAuto。然后，測(cè)試階段就必須考慮到全部變量。

　　2.1 輻射抗擾度和傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試

　　輻射抗擾度和傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試的目的是確定當(dāng)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(dǎo)發(fā)射的通過限值必須始終低于輻射抗擾度和傳導(dǎo)抗擾度的通過限值（如圖3）。一臺(tái)設(shè)備的輻射發(fā)射必須低于鄰近設(shè)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(cè)試可確定當(dāng)電磁干擾信號(hào)在空中穿過的情況下DUT 的性能如何。必須采用校準(zhǔn)的噪聲源，在發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn) DUT 的條件下進(jìn)行測(cè)試。

　　傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試可確定進(jìn)入到電纜（例如電力線束、USB電纜或者以太網(wǎng)電纜）中的干擾信號(hào)在連接到DUT 的情況下 DUT 的性能如何。汽車制造商通常會(huì)指定測(cè)試多種 DUT 操作模式，并且還將指定預(yù)期的狀態(tài)級(jí)別響應(yīng)。例如：

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

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

　　3）狀態(tài) 3 響應(yīng)——會(huì)出現(xiàn)明顯的響應(yīng)，并且在排除掉干擾后需要用戶干預(yù)，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 端口來播放閃存盤上的音樂。指定狀態(tài) 1 意味著，在測(cè)試期間音樂將繼續(xù)播放而不會(huì)出現(xiàn)明顯的性能降級(jí)（無靜電、無中斷等等）。對(duì)于 EMC 有無數(shù)個(gè)類型的測(cè)試設(shè)置，包括：便攜式發(fā)射機(jī)；大電流注入器；耦合抗擾度。

　　2.1.1 便攜式發(fā)射機(jī)測(cè)試設(shè)置

　　一種特定類型的輻射抗擾度測(cè)試稱為“便攜式發(fā)射機(jī)”。該測(cè)試會(huì)測(cè)試 DUT 對(duì)于手機(jī)和手持式雙向無線對(duì)講機(jī)之類設(shè)備的抗擾度。如圖3。

　　2.1.2 大電流注入測(cè)試設(shè)置

　　一種特定類型的傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試稱為“大電流注入”(BCI)。該方法會(huì)穿過一個(gè)磁場(chǎng)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(cè)試設(shè)置

　　還有一種傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試稱為“耦合抗擾度”。該測(cè)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(cè)試的 DUT 電線/電纜將在1 m的長(zhǎng)度內(nèi)連接到干擾信號(hào)。如圖5。

　　2.1.4 其他抗擾度測(cè)試

　　可以模仿車輛中苛刻的電氣環(huán)境。其中一些測(cè)試包括如下。

　　1）靜電放電 (ESD) ： 一項(xiàng)重要的電磁兼容性(EMC) 測(cè)試。IEC 標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2是一項(xiàng)廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)，可以測(cè)試電子設(shè)備的 ESD 抗擾度。（來源：https:// ieeexplore.ieee.org/document/1282319）

　　2）電源線干擾：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(fù)載、觸點(diǎn)電弧、觸點(diǎn)顫動(dòng)。

　　4）功率循環(huán)：車輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的點(diǎn)火循環(huán)電壓波動(dòng)。

　　5）電壓過大：負(fù)載突降（交流發(fā)電機(jī)生成充電電流并且在其他電力負(fù)載已連接的情況下，電池?cái)嚅_）、跳線跨接啟動(dòng)、交流發(fā)電機(jī)失控、變換極性。

　　3 結(jié)論

　　將大量的電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)安放到極其有限的空間當(dāng)中，會(huì)帶來使這些汽車系統(tǒng)的電磁干擾免于通過輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射而產(chǎn)生相互干擾的問題。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(tǒng)故障或者在某些情況下徹底失效。

　　莫仕的互連車輛團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)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(jīng)考驗(yàn)的產(chǎn)品組合，用于對(duì)電磁發(fā)射和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行控制，從而使電子設(shè)備良好的耐受電磁干擾。

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