重型车辆快插式滤波器设计

2021-08-04周元豪

汽车电器 2021年7期

林森，雒拓，尹航，周元豪

（陕西重型汽车有限公司，陕西西安 710200）

重型车辆在电控化的发展过程中涌现出多种类型的电子设备，然而车辆类产品电磁兼容设计发展缓慢，导致这些电子设备在定型时未考虑电磁兼容性，组装成系统后与其它电子设备产生不兼容现象，尤其在高压电驱动的车辆上尤为突出。重型车辆各类控制器分布位置分散，使用线束较长（2~10m以上），线束长度与控制器工作频率可以比拟，成为了一些信号的发射天线，对外产生辐射。由于车辆电器件布置关系，车辆一旦装好，整改难度将成倍增加。

汽车电子设备的电路功能趋于复杂，PCB上元器件的布置密集紧凑，接口部分既有模拟信号又有数字信号，在设计阶段如果对EMC考虑不足，将导致辐射能量从接口通过线缆发射到空间中，引起辐射发射试验项目不能通过。图1是控制器结构示例，如果接口滤波电路在设计时没有被考虑，处于缺失状态，将导致PCB上信号线产生的辐射通过PCB信号线→连接器→线缆辐射到外部空间。

图1 电子控制器结构图

基于以上分析，从电磁干扰的3要素（干扰源、干扰途径和敏感设备）进行分析，从干扰源（电子控制器）进行电磁波的抑制是解决问题的最有效手段。如图1所示，如果控制器设计有接口滤波电路，将减少PCB信号线→连接器→线缆辐射的能量，同时遏制外部干扰信号通过线缆→连接器→PCB信号线方向的传递，减少对PCB内部电路工作的影响。车辆使用的电子设备基本为外购件，这些设备在功能和应用上也趋于成熟，但是由于未考虑电磁兼容设计，导致这些电子设备功能强大，但电磁性能较差，在整车进行电磁兼容试验时，辐射发射不能通过，抗扰性较差，达不到国家标准相关要求。如果在已装配好的车辆上进行整改，涉及电子模块拆装，更换线束，难度都将增大，因此预留快插式滤波器是整车设计时的必要手段。

1 车辆电磁兼容标准要求

面对日益复杂的电磁环境，国内外均制定了电磁兼容标准对车辆和零部件进行合格性判定。中国在军用和民用领域也制定了相关标准对发射和抗扰进行控制。表1为整车及电子部件法规要求。

表1 车辆及电子部件法规标准

从车辆和电子部件国家标准中可以看出，标准对整车和电子部件设有发射和抗扰性指标，因此在整车和电子部件设计时应同时考虑发射和抗扰性。

2 快插式滤波器方案设计

2.1 方案概述

通过设计一种快插式滤波器，该滤波器将车辆常用成熟插接件与滤波元件集成化处理，形成一体化滤波插接器，使用时与预留在线束终端的插接器进行快速对插，可并联或串联于电路中，达到滤波功能。快插式滤波器可制作成电容型、电感型、磁珠型等以满足不同信号的需求，同时可制作成普通型和防水型用于驾驶室和底盘。快插式滤波器安装示例如图2所示。

图2 快插式滤波器安装位置

2.2 方案详细设计

将插接器、滤波元件和封装材料进行组合，通过对信号引脚参数进行分析，选用合适的滤波元件，对潜在的干扰频率进行滤波，达到降低辐射和提高抗扰的能力。表2为滤波器阻抗匹配方法。

表2 车滤波器阻抗匹配方法

图3为快插式滤波器，图4为控制器线路预留快插式滤波器对插端示意图，图5为控制器安装完快插式滤波器示意图。

图3 快插式滤波器设计图

图4 控制器预留快插式滤波器对插端

图5 安装完成后的快插式滤波器

2.3 方案效益评估

1）快插式滤波器不影响电路的正常功能，方便拆装，实现了电器接口的滤波功能，降低信号间的串扰和辐射特性，增强电器之间的相容性。

2）实现了防尘防水设计，可应用于驾驶室和底盘，降低选型和安装难度。

3 快插式滤波器应用及试验

3.1 滤波器设计应用

通过对电子控制器接口电路进行分析，查看是否在重要信号线上进行了滤波处理，对已进行滤波的信号，可在接口处预留一种滤波方案，比如电容滤波或磁珠滤波等。如果接口电路未预留任何滤波措施，则接口处应预留较复杂滤波方案，比如Π型滤波、T型滤波。滤波器的选型计算很重要，参数主要涉及电压、电流、频率、温度、封装等。滤波电路不能对接口信号品质有本质影响，应根据实际接口电路、信号特性进行设计，不能简单进行复制。以电容为例，理想的电容容量越大，容抗就越小，滤波效果越好，但是电容存在寄生电感，容量大，寄生电感也大，自谐振频率越低，对高频噪声去耦效果越差。图6为电容频率阻抗特性曲线，阻抗|Z|与频率关系见以下公式。