汽車電子設(shè)備電磁兼容性改進(jìn)

　　引言

　　隨著汽車電控技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車電子設(shè)備數(shù)量大大增加，工作頻率逐漸提高，功率逐漸增大，使得汽車工作環(huán)境中充斥著電磁波，導(dǎo)致電磁干擾問(wèn)題日益突出，輕則影響電子設(shè)備的正常工作，重則損壞相應(yīng)的電器元件[1]。因此，汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能越來(lái)越受重視,目前迫切要求能廣泛應(yīng)用針對(duì)汽車子設(shè)備的電磁改進(jìn)技術(shù)。

　　電磁干擾的來(lái)源

　　汽車電子設(shè)備工作在行駛環(huán)境不斷變化的汽車上，環(huán)境中電磁能量構(gòu)成的復(fù)雜性和多變性，意味著系統(tǒng)所受到的電磁干擾來(lái)源比較廣泛。按照電磁干擾的來(lái)源分類，可分為車外電磁干擾、車體靜電干擾和車內(nèi)電磁干擾。

　　車外電磁干擾

　　車外電磁干擾是汽車行駛中經(jīng)歷各種外部電磁環(huán)境時(shí)所受的干擾。這類干擾存在于特定的空間或是特定的時(shí)間。如高壓輸電線、高壓變電站和大功率無(wú)線電發(fā)射站的電磁干擾，以及雷電、太陽(yáng)黑子輻射電磁干擾，等等[2]。環(huán)境中其它臨近的電子設(shè)備工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生干擾，例如行駛中相距較近的汽車。

　　車體靜電干擾

　　車體靜電干擾與汽車和外部環(huán)境都有關(guān)。由于汽車行駛時(shí)車體與空氣高速摩擦，在車體上形成不均勻分布的靜電。靜電放電會(huì)在車體上形成干擾電流，同時(shí)產(chǎn)生高頻輻射，對(duì)汽車電子設(shè)備形成電磁干擾。

　　車內(nèi)電磁干擾

　　車內(nèi)電磁干擾是汽車電子設(shè)備工作時(shí)內(nèi)部的相互干擾，包括電子元器件產(chǎn)生的電子噪聲，電機(jī)運(yùn)行中換向電刷產(chǎn)生的電磁干擾以及各種開(kāi)關(guān)工作時(shí)的放電干擾，最嚴(yán)重的是汽車點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻輻射，其干擾能量最大。

　　電磁干擾的途徑及原理

　　電磁干擾按干擾途徑分類，主要分為傳導(dǎo)干擾、感應(yīng)干擾和輻射干擾，對(duì)應(yīng)的干擾原理如下。

　　傳導(dǎo)干擾

　　傳導(dǎo)干擾主要通過(guò)電路的共用導(dǎo)體傳播，典型的結(jié)構(gòu)是共電源線和共地線，圖1是典型傳導(dǎo)干擾電路示意圖。R為電源線上電阻，Z為地線上電阻，U為支路電壓，I為支路電流。

　　由于各設(shè)備工作電壓為

　　因此任意一個(gè)設(shè)備電流變化都會(huì)導(dǎo)致其它設(shè)備電壓變化，產(chǎn)生干擾。要降低設(shè)備間的相互影響，需要減小R、Z和I值。

　　感應(yīng)干擾

　　感應(yīng)干擾分為電感應(yīng)干擾和磁感應(yīng)干擾兩種，其基本電路圖如圖2和圖3。U1為導(dǎo)線1的電壓，I1為導(dǎo)線1上電流，U2為導(dǎo)線2上的干擾電壓，C12為兩導(dǎo)線間的電容，C1g和C2g為導(dǎo)線1、導(dǎo)線2與地的電容，M12為兩回路間互感，R為各電路的電阻。

　　對(duì)電感應(yīng)電路，，要減小U2可以減小C12、U1和R，或增大C2g；首要措施是減小C12，方法是增大導(dǎo)線距離或改變導(dǎo)線間介電參數(shù)。

　　對(duì)磁感應(yīng)電路，，要減小U2，可以減小M12或減小I1變化率，基本措施是減小M12，對(duì)典型的兩回路，，L1、L2為兩回路長(zhǎng)度，m0為真空磁導(dǎo)率，r為兩回路導(dǎo)線段距離。因此增大r和減小回路面積都能減小M12。

　　輻射干擾

　　輻射干擾由天線發(fā)射，由于通電的導(dǎo)線和電纜可視為等效天線，因此汽車電子設(shè)備的線束輻射干擾非常嚴(yán)重。根據(jù)Maxwell方程，典型單極天線的輻射電磁場(chǎng)為

　　為球坐標(biāo)，I為天線電流，l為天線長(zhǎng)度，r為天線至場(chǎng)點(diǎn)的距離，w為角頻率，e0為空氣介電常數(shù)，，l為電磁波長(zhǎng)。

　　要減小H和E，可以減小I、l，或增大r。

　　綜上所述，車外電磁干擾隨作用距離增大而減小，只有當(dāng)其本身能量非常大，才能對(duì)相距較遠(yuǎn)的汽車電子設(shè)備產(chǎn)生影響。多年研究結(jié)果表明，大能量的電磁效應(yīng)對(duì)人體健康存在危害，目前已經(jīng)制定各種相應(yīng)的電磁標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制這類干擾，使得汽車電子設(shè)備受其的影響減小。

　　車體靜電干擾和車內(nèi)電磁干擾，因?yàn)楦蓴_作用距離近，干擾時(shí)間長(zhǎng)，干擾強(qiáng)度相對(duì)較大。由于汽車電子設(shè)備形成以蓄電池和交流發(fā)電機(jī)為核心電源以及車體為公共地的電氣網(wǎng)絡(luò)，各部分線束都會(huì)通過(guò)電源和地線彼此傳導(dǎo)干擾，相鄰導(dǎo)線間又有感應(yīng)干擾，而不相鄰導(dǎo)線間也因天線效應(yīng)而輻射干擾，這就使得車內(nèi)干擾綜合了三種途徑，干擾組成較多，覆蓋的干擾頻率較廣，是汽車電子設(shè)備受到的主要電磁干擾。解決這兩種電磁干擾問(wèn)題，能同時(shí)提高汽車電子設(shè)備對(duì)車外電磁干擾的抗干擾能力，從而降低設(shè)備工作失?；蚴菗p壞的可能性。

　　提高電子設(shè)備電磁兼容性能的措施

　　汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能包括兩方面，一是電磁發(fā)射，衡量系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾的發(fā)射水平；二是電磁敏感度，衡量系統(tǒng)在工作時(shí)為實(shí)現(xiàn)預(yù)期技術(shù)指標(biāo)而需要的抵抗電磁干擾的能力。根據(jù)前面的分析，要綜合提高汽車電子設(shè)備的電磁性能，可以從三方面考慮，一是減小設(shè)備發(fā)射電磁干擾的強(qiáng)度；二是抑制電磁干擾的傳輸；三是降低設(shè)備電磁敏感部件接收干擾的強(qiáng)度。

　　減小設(shè)備的電磁干擾強(qiáng)度

　　·優(yōu)化設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu)：汽車電子設(shè)備中閃光器是繼電器觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可以在觸點(diǎn)前加電弧抑制器；電機(jī)為感性負(fù)載，可通過(guò)內(nèi)部濾波電路降低電流噪聲；各種電控單元的印刷電路板，要優(yōu)化布線，降低電磁發(fā)射水平。

　　·選用合適的電子元器件：汽車上的各種控制單元，采用較低頻的芯片有利于減少輻射干擾。

　　·降低設(shè)備的功率：在滿足功能需求的情況下，降低設(shè)備的功率，可以減小干擾電壓和電流，從而減小干擾強(qiáng)度。

　　抑制干擾的傳輸

　　·屏蔽干擾源設(shè)備和相關(guān)線束：汽車中主要的電控系統(tǒng)使用的電控單元，應(yīng)該采用屏蔽殼體封裝。

　　·增加線束濾波：對(duì)較長(zhǎng)的線束，為減小傳導(dǎo)和輻射干擾，應(yīng)在線束上增加濾波，比較方便的是套接合適的鐵氧體磁環(huán)。

　　·合理規(guī)劃線束：線束布置上使小功率敏感電路緊靠信號(hào)源，大功率干擾電路緊靠負(fù)載，盡可能分開(kāi)小功率電路和大功率電路，減小線束間的感應(yīng)干擾和輻射干擾。

　　·改進(jìn)設(shè)備的接地：良好的接地布置和改進(jìn)的地線搭接可以降低高頻阻抗。汽車電子設(shè)備接地主要是就近接到車體以及線束屏蔽層接地。

　　降低設(shè)備接收干擾的強(qiáng)度

　　·減小設(shè)備接收干擾的面積：線束應(yīng)設(shè)計(jì)成最小長(zhǎng)度、最小阻抗和最小環(huán)路面積，最好采用雙絞線等回路面積小的供電方式。

　　·增大設(shè)備到干擾源的距離：在干擾設(shè)備布置不變的情況下，改造敏感部件的安裝位置，增大到干擾源的距離。

　　電磁兼容性改進(jìn)措施的試驗(yàn)研究

　　目前，電磁兼容仿真計(jì)算通常用來(lái)對(duì)車體結(jié)構(gòu)的電磁性能進(jìn)行初步估計(jì)[4]。汽車電子設(shè)備的電磁性能主要以測(cè)試為依據(jù)，因此對(duì)改進(jìn)措施著重進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)汽車整車及零部件的電磁兼容性法規(guī)GB18655－2002《用于保護(hù)汽車接收機(jī)的無(wú)線電騷擾特性的限值和測(cè)量方法》，對(duì)國(guó)內(nèi)一種商務(wù)車型的電子設(shè)備進(jìn)行了電磁兼容性測(cè)試，采用了綜合改進(jìn)措施，試驗(yàn)結(jié)果可以比較各種措施在實(shí)車運(yùn)用中的效果。

　　雨刮電機(jī)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和內(nèi)部濾波

　　雨刮電機(jī)是設(shè)備中典型的感性負(fù)載干擾源，功率較大，采用零部件測(cè)試方式對(duì)其測(cè)量，先對(duì)電機(jī)的換向器結(jié)構(gòu)做了調(diào)整，并在電機(jī)內(nèi)部對(duì)電路做了濾波處理。圖4、圖5是改進(jìn)前后的結(jié)果，射頻段干擾也有明顯改進(jìn)。

　　閃光器的電路濾波

　　閃光器是汽車設(shè)備中典型的觸點(diǎn)型器件，工作時(shí)通斷頻繁，在線束上產(chǎn)生較大傳導(dǎo)干擾，并由此產(chǎn)生較大輻射干擾。通過(guò)在閃光器附近加接0.1mF的電容，并在線束上套鐵氧體磁環(huán)，構(gòu)成低通濾波器，抑制其傳導(dǎo)干擾，同時(shí)減小輻射干擾。測(cè)量采用整車測(cè)試的方式，圖6、圖7是改進(jìn)前后的測(cè)試結(jié)果，在10MHz以上降低了干擾水平。

　　結(jié)語(yǔ)

　　汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能在國(guó)內(nèi)日益受到重視，它對(duì)提高國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力也相當(dāng)重要。通過(guò)對(duì)電子設(shè)備干擾源的分析，表明車內(nèi)電磁干擾是設(shè)備所受的主要干擾，為減少系統(tǒng)的電磁干擾，需要采用文中的改進(jìn)措施來(lái)提高汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能，測(cè)試表明改進(jìn)效果都比較明顯。對(duì)大多數(shù)電氣設(shè)備，增強(qiáng)電路濾波是比較通用的改進(jìn)措施。■

　　參考文獻(xiàn)：

　　1．張玉華，汽車電子與電磁兼容，重型汽車，1994(4)

　　2．白同云、呂曉德編著，電磁兼容設(shè)計(jì)，北京，北京郵電大學(xué)出版社，2001

　　3．ANSI/IEEE C95.1，Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields，3kHz to 300GHz