汽车电子产品全寿命电磁兼容测试方法

李研强，张晓芳

(山东省科学院自动化研究所,山东省汽车电子技术重点实验室，山东 济南 250014)

汽车电子产品全寿命电磁兼容测试方法

李研强，张晓芳

(山东省科学院自动化研究所,山东省汽车电子技术重点实验室，山东 济南 250014)

目前，对汽车电子产品的电磁兼容测试主要集中在新产品研发阶段。本文提出了一种汽车电子产品全寿命电磁兼容测试方法，通过建立测试模型、退化模型及验证模型，进行了加速寿命试验。试验结果表明，在产品使用寿命期限内，随着使用时间的延长，电磁兼容性能逐渐变差，在某个阶段会超出电磁兼容测试标准的限值要求，进而影响到整车的电磁兼容性。该研究对提高我国汽车电子产品的可靠性、安全性以及电磁兼容水平具有理论及实践意义。

汽车电子；全寿命；电磁兼容；测试模型

随着汽车电子行业的不断发展，汽车电子产品的电磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)可靠性逐渐受到业界的重视。 开展汽车电子产品的电磁兼容性研究，能够提高国产汽车的整体水平[1]。目前，国内外各大汽车制造厂均已根据自己的经验制定了不同的EMC标准。美国福特汽车公司制定了汽车电子产品EMC的规范[2]，其他欧美公司汽车企业也有相应的技术要求。Deb[3]研究了当前国际上EMC测试标准的发展趋势，认为此标准还在不断地发展和完善中。近年来，道路车辆功能安全ISO26262标准[4]得到了进一步地普及，汽车行业对全寿命EMC的研究更加重视。Shin等[5-7]从功能安全的角度探讨了ISO26262对EMC测试的影响，特别指出汽车电子产品在全寿命周期内EMC的重要性。

业界普遍认为汽车电子产品满足相关EMC标准后，由于EMC引起的产品失效会大大降低。但从已有的ECER10、SAEJ551、SAEJ113等EMC标准的内容来看，这些标准只是对EMC测试的细节，诸如测试环境、测试步进、测试现场布置、测试结果判断等进行了详细的定义，并未对被测件的状态进行要求，也就是说目前这些标准定义的EMC测试只是某个时间点上的测试，并未考虑某段时间之后的EMC特性。Armstrong[8]的研究表明,随着使用时间的增加，特别是受外部环境如温度、湿度、振动等应力的影响，汽车电子产品的EMC特性将会发生诸如对外辐射超标、电源耐受性降低等变化。因此，即使通过了所有的EMC测试，也不能保证产品在使用寿命期限内EMC的可靠度，其中一个重要的原因是现有的EMC测试并没有考虑随着使用时间的延长，导致汽车电子产品EMC性能改变而引起的可靠性降低的问题。因此，本文通过建立基于加速寿命试验的EMC测试模型，实现了对汽车电子产品的全寿命EMC测试。

1 汽车电子产品全寿命EMC测试方法的建立

汽车电子产品的全寿命EMC测试方法包括测试模型、退化模型及验证模型三部分。测试模型是该方法研究的整体流程，退化模型是研究汽车电子产品全寿命EMC测试过程中的EMC退化影响因子，验证模型是通过不断地循环测试而得到可靠的工程化测试方法。

图1 汽车电子产品全寿命EMC测试模型Fig.1 EMC testing model of whole life-cycle of automobile electronic products

1.1 汽车电子产品全寿命EMC测试方法的建立

在汽车电子产品的寿命周期内，关键芯片(如CMOS)会被如电迁移、栅氧化层崩溃、热载流子注入等内在失效机制所影响，这些影响因素包括了环境应力(高低温、湿度、振动)和电应力(过电、电脉冲、静电)等。加速寿命试验通过高水平应力(如高温、高电压)在短时间内加速器件的损坏。如果已知电子产品加速应力对应的加速因子，以及加速应力条件下产品的寿命，就可以利用阿伦尼乌斯定律(Arrhenius Law)等得到普通应力下产品的正常使用寿命。

本文采用阿伦尼乌斯定律与实验研究相结合的方法，建立汽车电子产品全寿命EMC测试模型，如图1所示。该方法通过比对被测对象在自然应力和实验室中施加的环境和电应力前后的EMC特性(如：空间辐射、传到辐射、大电流注入)，确定环境与电应力对EMC变化的关系。通过对被测件表征参数的测量，如电压、电流、频率等参数变化，确定该参数与EMC的特性相关联，从而确定环境或电应力正交寿命试验的方案。

通过同时比较实际使用与实验室模拟使用三年的汽车电子产品EMC特性变化情况，确定关键频点和幅值。根据两次比较结果修正EMC性能退化模型，计算EMC性能退化轨迹，采用多属性决策和模糊神经网络的方法修订各参数对EMC特性的影响关联度，并对环境以及电应力正交加速寿命试验进行优化。

任何类型的加速应力都可能加速产品的失效，但只有在失效机理保持一致时，不同的加速试验才具有可比性。因此在设计加速应力试验时，需要首先分析不同应力及相同应力不同等级下的失效机理，才能设计出正确的正交试验设计方案并优选产品的关键表征参数，得到高效、快速、经济、具有代表性的加速寿命正交试验结果。结合当前电子产品可靠性提高的背景，加速寿命正交试验不要求产品完全失效，只需产品的关键参数产生一定量的退化，就可以影响EMC的特性变化。

1.2 EMC性能退化模型

为了更好地研究全寿命EMC的测试方法，需要建立EMC的性能退化模型。通过分析寿命试验前后的EMC特性，将幅度和频率作为主要的参数，分析影响EMC性能退化的因子。利用信号与噪声加干扰之比和干扰源对敏感体的干扰效应度量标准对试验前后的EMC性能进行分析和评价，从而建立EMC性能退化模型，如图2所示。

图2 EMC性能退化模型Fig.2 Degradation model of EMC

EMC的测试结果主要表现在频率和幅值上，而这两个值是和电子产品的物理组成密切相关的。如果电子产品的物理特性发生了变化，那么在EMC测试结果中的频率或者幅值上将会有变化。但是，如何通过确定EMC的测试变化与被测件物理特性变化之间的关系还没有明确的理论。因此，本文提出的EMC性能退化模型只是定性分析两者变化之间的关系，没有给出两者之间的精确定量分析。但是该模型可以满足对全寿命EMC测试方法的研究。

1.3 全寿命EMC测试验证模型

通过多次试验优化，采用多变量灰色关联模型及特征选择验证模型，验证全寿命EMC测试方法，建立实验室环境下汽车电子产品全寿命EMC特性与实际产品EMC特性的评价验证机制，从而实现具有实用价值的系统级汽车电子产品全寿命EMC测试与验证模型，如图3所示。该模型主要提供用于本文提出的测试方法的验证，最终目的是提出实用化的全寿命EMC测试方法，将该方法进行工程化简化。

图3 全寿命EMC测试验证模型Fig.3 Verification model of whole life-cycle of EMC testing method

2 实验结果

研究对象采用汽车报警器产品，于2006开始研发、2008年量产装车，自2008年以来已累计装车40余万套，在此过程中积累了大量的测试数据和故障分析数据，为本研究提供了宝贵的资料。该产品的功能框图如图4所示，虚线框内的5部分为在汽车电子行业中具有较强代表性的功能电路， 即主芯片(PIC18F2480)、CAN总线物理层芯片(TJA1054)、PWM驱动电路(MMBT5551)、开关量检测电路(MMBTA92)和电源管理模块(LM9076)。通过对这5部分电路分别施加电应力，观察电路的EMC变化特性。

研究对象在寿命试验前后分别参考相应的国际标准进行RE、CE、BCI(闭环法)3项EMC测试，因为3项测试均可以通过EMC32软件得到具体数据，方便进行寿命试验前后数据的对比。在参考AEC-Q100系列标准的基础上，通过分析现有的加速寿命机理，分别依照正交法确定的环境应力和电应力试验方案，利用实验室现有的环境和电应力测试设备对样品进行加速寿命试验 。

在试验过程中的各种误差和干扰是不可避免的，为了消除误差，本文采用多样品和进行多次测量的方法，并通过数理统计评价各种测量值以进行修正。通过概率法确定干扰概率、频率重叠概率、时间重叠概率、空间重叠概率等干扰因素，并加以去除。

图4 试验样品功能框图Fig.4 Functional block diagram of sample

将加速寿命试验应用于全寿命EMC测试时，可将试验分为若干阶段进行。首先以8 h作为一个阶段进行试验，试验期间要监测报警器的电性能(如电流、端电压等)，8 h结束后测量报警器的EMC性能变化；然后再进行8 h加速寿命试验，再测EMC性能变化，以此类推，直至产品失效或EMC测试未通过，试验结束。本文对测试样品3次电源线传导发射测试的结果进行比较，如图5所示，其中No.0是加速寿命试验前被测件电源线上传导发射的平均值和峰值的EMC测试结果；No.1是第一组加速寿命试验后的测试结果；No.2是第二组的测试结果。通过比较分析No.0与No.1两条曲线可以明显看出，0.15 MHz～1 MHz频段EMC性能降低约0.5 dB·μV；1 MHz～3 MHz频段EMC性能变差；在1.805 MHz 频段峰值出现6 dB·μV的增量；3 MHz～8 MHz频段EMC性能变好；8 MHz ～108 MHz频段EMC性能变差。其中30 MHz～108 MHz频段峰值普遍出现较为明显的增大，且在52.85 MHz频段出现6.2 dB·μV的增量。比较No.0与No.3曲线可以发现，EMC的特性更加恶化，并在30 MHz～100 MHz频段超出EMC测试标准的限值要求，进而影响到整车的电磁兼容性。

图5 3次电源线传导发射测试结果曲线比对Fig.5 Comparison of results of three times power line transmission

3 结论

通过建立全寿命EMC测试模型、退化模型及验证模型，阐述了汽车电子产品的全寿命EMC测试方法。通过实验验证，证明了汽车电子产品在经过寿命试验后的EMC特性将恶化，因此全寿命EMC测试方法对于保证汽车电子产品的安全与可靠性是非常必要的。本文提出的测试方法，对提高我国汽车电子产品的可靠性、安全性以及EMC水平具有重要的理论及实践意义。但是该方法还需要由定性分析转变到定量分析，在后续工作中将重点分析寿命试验与EMC特性变化之间的定量关系，完善相关的理论体系。

[1]徐立. 我国汽车电磁兼容技术发展状况[J].安全与电磁兼容，2003(1):35-37.

[2]Ford Motor Company. Electromagnetic Compatibility Specification For Electrical/Electronic Components and Subsystems[EB/OL].[2016-03-02].http://www.fordemc.com/docs/download/FMC1278.pdf.

[3]DEB G K. Present global trend on EMC[J]. Iete Technical Review, 2015, 16(3/4):311-316.

[4]21ic.道路车辆功能安全ISO26262标准[EB/OL]. [2016-03-02].http://dl.21ic.com/download/code/-iso26262-pdf-ic-105570.html.

[5]SHIN J, CHUNG Y, CHOI J. Management plan on EMC for functional safety of the ISO26262[J]. Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering & Science, 2014, 25(10):1020-1027.

[6]KADO R, NELSON J J, TAYLOR W. Impact of Functional Safety on EMC: ISO 26262[EB/OL].[2016-01-02].http://dx.doi.org/10.4271/2013-01-0178.

[7]郭远东, 王春霞. ISO 26262 对汽车电子产品EMC 的影响[J]. 安全与电磁兼容, 2014，32(2):51-54.

[8] ARMSTRONG K. Specifying life-cycle electromagnetic and physical environments-to help design and test for EMC for functional safety[M]// International Symposium on Electromagnetic Compatibility. [S.l.]:IEEE,2005.

Whole life-cycle EMC testing method for automotive electronic products

LI Yan-qiang ， ZHANG Xiao-fang

(Shandong Provincial Key Laboratoty of Automotive Electronics Technology,Institute of Automation， Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014，China)

∶So far much of the EMC testing of automobile electronic products was centered on the new product development stage. An EMC test method of whole life-cycle of automobile electronic products was proposed in this work. The accelerated life testing was carried out by establishing testing model, degradation model and verification model. Results reveal that in the product life span, EMC performance becomes worse with the prolonged time of use, and will exceed the EMC standards limits at some stage, which could have an adverse impact on the electromagnetic compatibility of the vehicle. This work has theoretical and practical significance to improve the reliability, security, and electromagnetic compatibility of automobile electronic products in China.

∶automobile electronic； whole life-cycle；electromagnetic compatibility；testing model

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.02.020

2016-06-02

山东省科学院自然科学基金(201510015)

李研强(1977—)，男，副研究员，研究方向为电磁兼容与汽车主动安全。E-mail：liyq@sdas.org

U463.6

A

1002-4026(2017)02-0133-06