提高汽車電器電磁兼容性的三大措施

【導 讀】電磁兼容性包含著2方面要求，其一是要求產(chǎn)品對外界的電磁干擾有一定的承受能力；其二是要求產(chǎn)品在正常運轉(zhuǎn)過程中，該產(chǎn)品對周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不 能超過一定的限度。汽車電器的電磁兼容性就是指在汽車及其周圍空間中，在運行時間內(nèi)，在可用的頻譜資源條件下，汽車本身以及周圍的用電設(shè)備可以共存，不致 引起降級。

ABS防抱死制動系統(tǒng)，發(fā)動機燃油點火電子控制系統(tǒng)，GPS全球定位系統(tǒng)等電子設(shè)備的正?？煽抗ぷ鞫急仨氈匾晫﹄姶偶嫒菁夹g(shù)的設(shè)計和研究，可以從傳統(tǒng)的汽 車電器（諸如起動機、刮水電動機、閃光器、空調(diào)啟動器、燃油泵等）入手進行探討，交流發(fā)電機電纜的連接和間歇切斷也是產(chǎn)生較大功率電磁輻射的干擾源，只是 其它設(shè)備對其工作可靠性的影響較那些小功率高頻段的電子設(shè)備為小。現(xiàn)在，交流發(fā)電機的調(diào)節(jié)器與電子點火系統(tǒng)一樣，已經(jīng)設(shè)計成集成模塊化結(jié)構(gòu)，同樣面臨抗干 擾的問題。

電磁干擾的來源、傳播途徑及檢測

（一）電磁干擾的來源

汽車電器設(shè)備受到的電磁干擾的來源常分為3種：周圍高壓變電所輸電線、大功率無線電發(fā)射基站、行駛中相距較近的汽車、雷電、太陽黑子輻射的車外電磁干擾； 由于行駛時車體與空氣高速摩擦，在車體上形成不均勻分布的靜電而產(chǎn)生的車體靜電干擾；點火系統(tǒng)產(chǎn)生的車內(nèi)電磁干擾等高頻輻射干擾。電動機電刷換向火花的電 磁輻射，起動機電磁開關(guān)和各種開關(guān)工作時放電干擾等，都是汽車電器設(shè)備電磁干擾的來源。

（二）電磁干擾的分類及傳播

電磁干擾（EMI）按頻段可粗略劃分為：0.02～2kHz，諧波干擾；2～300kHz，傳導干擾或載頻干擾；0.3～300MHz，射頻干擾；0.3～300GHz，微波干擾。

從干擾的途徑來分，0～300kHz并存著傳導干擾和交變電磁場引起的近場感應(yīng)干擾；射頻和微波干擾都是遠場的輻射干擾。當設(shè)備和導線的長度比波長短時，主要的問題是傳導干擾；當它們的尺寸比波長長時，主要的問題是輻射干擾。

（三）3 類干擾分述如下

a.傳導干擾是通過電路連接的導體傳播，共電源線，共搭鐵線。圖1為傳導干擾的電路原理圖。

根據(jù)電子電工學知識可得各電器的工作電壓為：



式中：R——電源線電阻；

r——搭鐵線電阻；

U——支路電壓；

I——支路電流。

可見一個電器電流的變化會影響其它電器電壓變化，引起干擾。降低電器間相互干擾，必須減小R、r和I。

b.感應(yīng)干擾由各類電器、導線的交變電磁場引起，下面從電場耦合干擾和磁場耦合干擾來敘述其原理。圖2、圖3分別表示其電路原理圖。

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分析圖2，則導線2上干擾電壓U2為：



式中：C12——兩導線間電容；

C20——導線2搭鐵電容；

R——回路電阻；

U1、I1——導線1的電壓、電流。

減小U2，應(yīng)從降低C12和R或增大C20入手，即增大導線間距離或改變電器導線間介電參數(shù)。

磁感應(yīng)干擾與兩回路長度L1、L2，導線間距離b相關(guān)。由圖3可知



式中：



μ0——真空導磁率；M12——兩回路間互感。

降低U2，在于增大b和減小回路面積來減小M12，或減低電壓變化率。

c.輻射干擾是射頻的無線電發(fā)射通過導線電纜和金屬構(gòu)件這些等效的天線進行發(fā)射干擾，因而線束的輻射干擾是最嚴重的一種。由描述電磁波的Maxwell方程可知，減小射頻電磁場的強度，要減小高頻電流I、輻射的有效長度L或增大距離b。

（四）電磁干擾的檢測

汽車電路系統(tǒng)由蓄電池和整流的交流發(fā)電機作為核心電源，車體作為共用搭鐵，各個電器裝置并聯(lián)其上。相連的線束造成電器間彼此傳導干擾；相鄰的導線間會有感應(yīng)干擾；因為天線效應(yīng)，不相鄰導體間又存在著輻射干擾。因而電磁干擾綜合著3種途徑，覆蓋較寬的干擾頻率。

應(yīng)用頻譜分析儀進行電磁兼容性分析研究，檢測電磁干擾直觀且可以定量。它是一種30～1000MHz窄帶掃頻接收機，能在某一時刻接收某個頻率范圍內(nèi)的能 量，記錄下不同頻段內(nèi)干擾的幅值。缺點是對于時間很短頻譜范圍很寬，如靜電放電這一類瞬態(tài)的脈沖干擾，不能寬頻段全貌反映實際干擾情況。常常只能數(shù)臺同時 啟用進行觀測分析。

汽車電器電磁兼容性

面對的3項技術(shù)問題和提高電磁兼容性的措施電子電器產(chǎn)品系統(tǒng)降噪技術(shù)在20世紀70年代已受到各國關(guān)注，至20世紀90年代美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC） 和歐盟CE先后提出對該類產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章。這些規(guī)章要求各公司確保其產(chǎn)品符合嚴格的電磁環(huán)境影響和發(fā)射準則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性 （EMC）。

（一）電磁兼容性要面對的問題

汽車電器電磁兼容性需要面對的3個技術(shù)問題是：

①探討電器產(chǎn)生的電磁輻射（EME）并控制為最??；

②電源電壓的瞬變，車燈、起動機等重負載和感性負載引起的瞬態(tài)干擾是如何惡化汽車的電磁環(huán)境的；

③如何把電磁敏感性（EMS）降低到最小。電磁敏感性（Electro-Magnetic Susceptibility）是指存在電磁騷擾的情況下，裝置設(shè)備或系統(tǒng)對自身性能降低的無作為能力。當敏感性低時，抗擾性則強，足以防護電器電子產(chǎn)品 免受其它系統(tǒng)有害輻射的影響。曾有EMC=EMI+EMS這樣一個模擬的公式，表示電磁兼容性是研究降低電磁干擾和降低電磁敏感性，即增強抗干擾能力的。

（二）提高電磁兼容性能的措施

降低電器的電磁干擾強度：①要降低發(fā)電機紋波電流。交流發(fā)電機是大的功率源，減小高次諧波分量可以大幅度降低傳導和輻射干擾，對電器而言輸入電流諧波屬于 EMI；②應(yīng)在閃光器觸點前加電弧抑制器；③感性負載（如刮水電動機、燃油泵、起動機）有電刷換向器，需要濾波電容器旁路換向火花所產(chǎn)生的高頻輻射。電容 要達到良好的濾波效果，它與噪聲源的公共搭鐵之間的連線要盡量短。

自由空間中的導線電感每毫米約為0.04nH。如果電刷產(chǎn)生的噪聲頻率為50～100MHz，當電容連接的導線長度為100～150mm時，導線不計線間 電容，則感抗XL=2πfL=3.77Ω；而0.1μF電容的容抗XC=1/（2πfC）=0.159Ω。若導線長度縮短為25mm，感抗僅為 0.628Ω，濾波電容效果提高80％。濾波器件應(yīng)直接由噪聲源搭鐵，使回路阻抗最小，有最佳濾波效果。必須注意，有交流分量的輸入端安裝電容一定要慎 重，解決EMC問題的同時，不能引起過大的漏電流，超出安全規(guī)范的規(guī)定。

在電刷上連接一個10～25μH的電感，吸收電刷通過換向器間隙時流經(jīng)電刷電流突變的能量，串聯(lián)在電路中的扼流圈和對搭鐵的旁路電容組合成低通濾波器，也能抑制傳導干擾。LC濾波器比單個電容有更寬的濾波帶寬，而干擾波形尖峰產(chǎn)生的輻射干擾的抑制通過屏蔽來實現(xiàn)。

同一設(shè)計的汽車電機電器產(chǎn)生的干擾，由于工藝等的差異在幅度和頻率上有很大的隨機性。有一個良好的搭鐵線，甚至將產(chǎn)生干擾的電器裝置限制在一塊公共搭鐵板 上，就近接到車體或線束的屏蔽層搭鐵，才能保證濾波、屏蔽最有效。低頻電路的搭鐵，應(yīng)盡量采用單點并聯(lián)搭鐵；高頻電路宜多點串聯(lián)搭鐵，搭鐵線短而粗，更有 效抑制長搭鐵走線產(chǎn)生的共模干擾。輸入輸出元件盡量隔遠些，高頻元件間要防止分布參數(shù)造成相互干擾。

合理布線，合理規(guī)劃線束，使大功率干擾電路應(yīng)盡可能緊靠負載，小功率敏感電路緊靠信號源，盡量分開大功率電路和小功率電路，減小線束間感應(yīng)干擾和輻射干 擾。經(jīng)過濾波的電源線要盡量遠離各種信號線，以防高頻信號耦合到電源線，造成傳導發(fā)射超標。對較長的線束應(yīng)在線束上增加濾波器，常用的方法是套上鐵氧體磁 環(huán)，降低傳導和輻射干擾。用于抑制電磁干擾的磁環(huán)不同于一般用做電感的鐵氧體，它的品質(zhì)因素Q值甚低，損耗較大。

濾波、屏蔽、優(yōu)化布線和搭鐵是4項EMC最常規(guī)采用的有效措施。但汽車鋼制車體總是作為直流電源回到負極的電路，既作為搭鐵線，又是射頻阻抗較小的信號回 流線。所以汽車電器還采用阻尼的方法來抑制輻射。發(fā)動機火花塞的中心電極對殼體通過絕緣介質(zhì)構(gòu)成電容，中心電極本身又具有電感，這樣就形成一個LC振蕩回 路，火花塞的導線起著天線作用，以電磁波形式向空間發(fā)射，電刷與換向器、滑環(huán)間的火花，喇叭、燈開關(guān)，機械式調(diào)節(jié)器、傳感器的觸點開關(guān)，由于各自回路LC 的差異，射頻干擾頻率范圍在0.15～1000MHz之間。點火裝置就是采用在高壓電路串入阻尼電阻有效削弱電火花產(chǎn)生的高頻振蕩，但過大的阻值會影響火 花塞電極的能量，故一般不超過20kΩ。常采用直徑1mm的NiCrAl絲繞成，LCR并存，有良好的阻尼振蕩輻射作用。

干擾電波具有下述特性：當從發(fā)生源臨近的地方移開時先以距離3次方的速率衰減，稍遠些時，以距離二次方的速率衰減，最后隨距離線性衰減。

FCC第15部分規(guī)定30～88MHz的極限值為100μV/m。

在80MHz處，相距干擾源50cm的位置，測得輻射強度80μV/m，應(yīng)為合格，當距離減小為30cm時，其輻射強度變?yōu)?00μV/m，是極限值 100μV/m的8倍，高出18.1dB?！氨Ｗo距離”的概念，是指在某種條件下使用電器設(shè)備，仍可能會產(chǎn)生干擾。當今汽車設(shè)計中都有一個高度集成的微控 制器MCU，它用來完成大量的計算并實現(xiàn)有關(guān)車輛運行的控制，包括發(fā)動機管理和制動控制。除MCU模塊自身滿足EMC規(guī)范外，必須使這類關(guān)鍵元器件在保護 距離以內(nèi)，達到優(yōu)良的電磁兼容性能，免受其它電器電子設(shè)備干擾。

改善電磁兼容性的試驗研究

電磁兼容性的仿真計算僅能對電器的電磁性能進行初步粗略的估算，最終改善汽車電器的電磁兼容性須待試驗進行驗證。下面對2種汽車電器產(chǎn)品采用綜合改進措施前后的干擾波形圖進行對比。