车辆及零部件辐射发射分析与设计

2018-06-01林森陈博凯张志鹏

汽车实用技术 2018年10期

林森，陈博凯，张志鹏

（陕西重型汽车有限公司，陕西西安 710200）

前言

如今汽车（传统汽车、电动汽车、无人车）上大量电子电器设备的应用，集成了各类电机控制器，传感器，多媒体设备，监控设备，造成车内系统之间以及车辆对外电磁辐射升高，整车电磁兼容恶化。例如，某款车载的多媒体设备，导航仪和倒车雷达集成装置经常出现死机现象；某电动车在电台或者信号发送区域的故障率明显增加；某款车仪表在停车状态下车速指针出现摆动等现象。以上问题在车辆现场是无法直接解决的，需要通过专用仪器设备进行排查，这是一个耗时耗力的过程，有可能持续几个月的时间，直接导致车辆定型或上市时间延迟。这些问题的根源就是没有系统的进行电磁兼容设计与验证。

电磁兼容的英文名称为“Electromagnetic Compatibility”，通常用“EMC”来表示。GB/T 4365-2003中对电磁兼容给出了专业的定义：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁现象看不到摸不到却无时无刻不在我们身边发生。本文列出了车辆及零部件需要通过哪些法规测试以及法规之间的横向比较，引出电磁兼容设计需考虑的因素，总结车辆设计要求，通过实车试验证明了设计思路的正确性，为新车型开发提供了设计依据。

1 整车及零部件法规要求

对车辆法规的了解是进行车辆设计的前提，目前车辆法规类标准分为民品和军品两类，在民品车辆里既有传统车型也有最新电动车类标准，见下表1统计所示。

表1 车辆法规标准

不管是民用车辆还是军用车辆，在测试方法上大致相同，由于军、民车辆在使用环境上的差异导致法规限值的曲线及限值不同，但在设计思路和方法上是一致的，通过试验数据比对，民用车辆零部件辐射发射在Level3级水平或以上将减少整车发射失败的概率，民用车辆的Level4或Level5级在某些频段近似军用车辆的等级标准。在零部件开发成本可控的前提下对零部件的试验等级尽量提高要求以增加整车试验的通过概率。

特别强调的是GB 34660从2018年1月1日开始实施，参考了ECE R10.3版本内容，车辆在认证时除了做辐射发射外，还增添了辐射抗扰相关内容，增加了通过难度。

2 系统电磁兼容设计

2.1 辐射发射特性

辐射发射是指以电磁波的形式通过空间传播电磁噪声能量的过程，电气电子设备工作时产生的伴随电磁辐射是一类主要的干扰源，这种辐射并不是设备为了完成预定功能而必须发射的，而是设备在正常工作过程中产生的意外发射，它是产品辐射发射超标的主要源头，所有电子设备必须尽量消除这种伴随发射。

图1 左侧为电流环天线右侧为电偶极天线

为了消除这种辐射发射，必须了解电磁辐射的条件。电磁波辐射的两个必要条件是天线和流过天线的交变电流，电子设备之所以会产生辐射干扰，是因为电子设备中包含了各种寄生天线，只要消除寄生天线或降低了这些天线的辐射效率或避免交变电流进入这些天线，电磁辐射将会大幅减小。因此控制辐射干扰源的过程就是分析寄生天线，消除寄生天线以及控制天线辐射的过程。两个基本的天线结构是电流环和电偶极如下图1所示。

根据观测点到辐射源的距离，将区域分为近场区和远场区。假定观测点到辐射源的距离为 D，将 D＜λ/2π的区域称为近场区，将 D＞λ/2π的区域称为远场区。λ/2π附件区域称为过渡区。阻抗与距离的关系如下图2所示。

图2 电流环天线和电偶极天线的波阻抗

1）如果 Z≥7.9Df（D的单位为 m，f的单位为 MHz）则E=VA/4πD3（uV/m）式中：E电路辐射的电场强度（uV/m）；V为驱动源的电压（V）；A为电路的面积（cm2）；D为观测点到电路的距离（m）。

2）如果Z≤7.9Df（D的单位为m,f的单位为MHz）则E=63IAf/D2（uV/m）式中：E为电路辐射的电场强度（uV/m）；I为电路中的电流（A）；f为电流的频率（MHz）；A为电路的面积（cm2）；D为观测点到电路的距离（m）。

由辐射发射原理我们可以看出辐射能量与电流，电压，频率，环路面积，距离有直接关系，由此设计时要关注这些量的变化对结果的影响。

2.2 滤波器件的阻抗频率特性

在PCB板级EMC设计中常用的滤波器件有很多种类，包括电阻、电感、电容，铁氧体磁珠等。

表2为基本元器件的频率阻抗特性，从图中可以看出高低频差异明显不同。

表2 频率阻抗特性图

通常在设计电路时重点关注的是低频情况下元件的特性，随着时钟，芯片工作频率的提高，小空间多芯片PCB的设计越来越复杂，在某些高速板的设计过程中如果没有考虑到元器件的高频特性，在功能实现上都会出现问题。因此在开始设计过程中就应考虑到元件的射频特性。

电容、电感元件在设计过程中被经常使用，电容的容抗Z=1/2πfc，电感的感抗 Z=2πfl，在谐振频率之前，容抗随频率增加而减小，感抗随频率增加而增大，在高频下这是我们使用的特性。而在谐振频率之后，电容表现为感性，电感表现为容性，电感和电容将失去原有特性，滤波能力将大打折扣，因此在使用这些元器件时需关注其谐振频率f=1/2π√LC。以上这些基础概念贯穿于整个设计过程中但也常常被忽略.在板级及系统级设计过程中应时刻掌握影响辐射发射的关键因素。

2.3 屏蔽、接地、滤波三大手法的应用

EMC设计的三大手法，屏蔽、接地、滤波在各种书籍中均有提到，如何将理论灵活应用在车辆整体设计或某个分系统上是一个艰难的过程，整车线束和零部件一旦布置捆扎好，后期试验过程中发现问题时变线束或变动零部件位置方面将非常困难，因此在设计初期除了考虑通过法规要求外还须根据车辆实际使用的环境选择一种性价比高的电磁兼容设计方案。表3在设计时必须得到处理。

表3 设计要求

3 设计整改案例

3.1 零部件试验

1）火焰预热控制器在设计之初并未进行电磁兼容性考核，装在驾驶室后在工作时会影响到车辆电台的通话质量，测试后发现单体并未达到限值要求，测试结果如图3所示。

图3 30MHz-200MHz测试曲线

通过数据分析是晶振选型以及PCB设计不合理导致。由于PCB设计者只考虑功能实现，并未有EMC方面的知识，导致PCB没有考虑EMC和Safety，实车使用过程中多次出现损坏现象，需经常更换备件，PCB板走线和元器件摆位不合理已无法进行整改。因此重新设计PCB并对元器件进行选型，合理分割地平面，新样品一次合格，测试结果如图4所示。

图4 30MHz-200MHz测试曲线

通过原理及PCB合理设计，新样品在成本上并未增加多少，但可靠性却大幅提高。样品试验照片如图5所示。

图5 样品试验照片

2）车辆组合仪表在辐射发射测试时发现辐射超标，打开仪表后盖发现仪表壳体在喷漆时没有对结合处进行保护，也作了喷漆处理，导致壳体两个接触面表面上看起来是接触的，其实是绝缘的，整个壳体相当于有60cm长的一条缝隙，导致壳体内辐射通过缝隙泄露，并未达到壳体屏蔽的作用。仪表的线束插头针脚未做滤波处理以及线束走线没有进行捆扎耦合了芯片的能量，导致对外辐射超标严重，图6为测试超标曲线。