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東風(fēng)汽車 | 汽車電子控制器EMC設(shè)計(jì)方法概述

2021-11-17 14:24:36·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：儲(chǔ)祖江等  
　
文章來(lái)源：東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心引言汽車電控技術(shù)快速發(fā)展，單車搭載的電子設(shè)備數(shù)量快速增加，并且功能越來(lái)越復(fù)雜。由此導(dǎo)致的電磁兼容問題日益突出，使得電磁兼
文章來(lái)源：東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心

引言
汽車電控技術(shù)快速發(fā)展，單車搭載的電子設(shè)備數(shù)量快速增加，并且功能越來(lái)越復(fù)雜。由此導(dǎo)致的電磁兼容問題日益突出，使得電磁兼容設(shè)計(jì)成為電控開發(fā)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文旨在簡(jiǎn)要概述汽車電控系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)的實(shí)施方向和方法，希望能給設(shè)計(jì)人員提供電磁兼容問題的解決思路。
1汽車電子電磁兼容技術(shù)的重要性
隨著汽車電動(dòng)化、智能網(wǎng)聯(lián)化的快速發(fā)展，每臺(tái)汽車上搭載的電子設(shè)備數(shù)量逐步增加，消耗功率逐步增大，電子電路工作頻率逐步提高，電子信號(hào)逐步復(fù)雜，使得汽車工作環(huán)境中充斥著各種頻段的電磁波，導(dǎo)致電磁干擾問題日益突出，輕則影響電控系統(tǒng)正常工作，重則損毀相應(yīng)的電子元器件。
因此，汽車電控系統(tǒng)都會(huì)涉及到汽車電磁兼容這個(gè)共性問題。汽車電磁兼容技術(shù)關(guān)系到汽車娛樂電子系統(tǒng)及其周圍電子系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，更是關(guān)系到電子控制功能運(yùn)行的安全可靠性。例如車載導(dǎo)航系統(tǒng)、車載影音娛樂系統(tǒng)，以及電子控制制動(dòng)系統(tǒng)、電子控制傳動(dòng)系統(tǒng)、電子控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
汽車電磁兼容對(duì)于現(xiàn)代以及未來(lái)的汽車而言至關(guān)重要，它關(guān)系到汽車的安全性、汽車排放控制的有效性、汽車節(jié)能的有效性、汽車智能控制的可靠性等。所以，汽車電控系統(tǒng)的電磁兼容性能越來(lái)越受重視，目前急需要求能廣泛應(yīng)用針對(duì)汽車電控系統(tǒng)的電磁兼容改進(jìn)技術(shù)。
2汽車的電磁兼容性的相關(guān)概念
汽車電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility ,EMC)是指車輛、零部件或獨(dú)立技術(shù)單元在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法接受的電磁干擾的能力。
簡(jiǎn)單來(lái)說，EMC包括了電磁干擾(Electro Magnetic Interference ，EMI)和電磁敏感性(Electro Magnetic Susceptibility , EMS)。EMI是指電控設(shè)備在運(yùn)行過程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾；EMS是指電控設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾所具有的抗干擾能力。EMI是主動(dòng)性的，即對(duì)外界產(chǎn)生的干擾，EMS是被動(dòng)性的，即抵抗外界的干擾。所以對(duì)電控設(shè)備的EMC要求就是：減少對(duì)外界的干擾，同時(shí)自身能抵抗一定程度的外界干擾。
電磁干擾包括干擾源、干擾源的耦合路徑和干擾敏感設(shè)備三個(gè)部分。
2.1干擾源
這是噪聲和干擾產(chǎn)生的源頭。產(chǎn)生的原因包括大電流電路的開關(guān)噪聲（高di／dt)、快速信號(hào)、快速上升沿、諧振、天線，錯(cuò)誤的終端，反射和電勢(shì)差。
干擾源有多種多樣，總的來(lái)說可以分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源兩大類。
2.1.1內(nèi)部干擾源
最主要的內(nèi)部干擾源是電控系統(tǒng)的微控制器電路、晶振電路、數(shù)字集成電路、開關(guān)穩(wěn)壓器、信號(hào)傳送器。
2.1.2外部干擾源
外部干擾源是汽車處于各種外部電磁環(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。如雷電、宇宙射線等；來(lái)自雷達(dá)、手機(jī)信號(hào)塔發(fā)射的高頻干擾；
2.2耦合路徑
干擾從干擾源傳遞到敏感設(shè)備的途徑或媒介。這種耦合有兩種方式：輻射和傳導(dǎo)。
2.2.1輻射耦合路徑
輻射耦合是指電磁噪聲的能量以電磁場(chǎng)能量的形式，通過空間輻射傳播，耦合到干擾敏感設(shè)備。根據(jù)電磁噪聲的頻率、電磁干擾源與干擾敏感設(shè)備的距離，輻射耦合可分為遠(yuǎn)場(chǎng)耦合和近場(chǎng)耦合。
2.2.2傳導(dǎo)耦合路徑
傳導(dǎo)耦合是指電磁噪聲的能量以電壓或電流的形式，通過金屬導(dǎo)線或其他元器件（如電感器、電容器、變壓器等）耦合至干擾敏感設(shè)備。根據(jù)電磁噪聲耦合特點(diǎn)，傳導(dǎo)耦合可分為直接耦合、公共阻抗耦合和轉(zhuǎn)移阻抗耦合。
直接傳導(dǎo)耦合是指噪聲直接通過導(dǎo)線、電阻器、電容器、電感器或變壓器等實(shí)際或寄生元件耦合到干擾敏感設(shè)備。
公共阻抗傳導(dǎo)耦合是指噪聲通過印刷電路和殼體接地線等產(chǎn)生公共地阻抗耦合；噪聲通過交流供電電源及直流供電電源的公共電源阻抗時(shí)，產(chǎn)生公共電源阻抗耦合。
轉(zhuǎn)移阻抗傳導(dǎo)耦合是指干擾源發(fā)出的噪聲，不是直接傳送至干擾敏感設(shè)備，而是通過轉(zhuǎn)移阻抗將噪聲電流或電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓴_敏感設(shè)備的干擾電壓或電流。
一般情況，小于30MHz的信號(hào)主要通過傳導(dǎo)耦合，超過30MHz的信號(hào)，噪聲會(huì)越來(lái)越多通過輻射方式耦合。
2.3干擾敏感設(shè)備
電路受到來(lái)自＂源”的干擾的影響。這種干擾會(huì)導(dǎo)致在信號(hào)上增加一些難以察覺的噪聲。但這種干擾也會(huì)對(duì)信號(hào)或整個(gè)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生一些重大影響。
汽車上各種電子模塊如車身控制器、電機(jī)控制器、信號(hào)線纜等都是干擾敏感設(shè)備。
3汽車電子電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)
汽車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)分為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)在國(guó)際上制定汽車的電磁兼容方面的標(biāo)準(zhǔn)化組織有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)、國(guó)際電工委員會(huì)無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)。
地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)主要是歐洲ECE法規(guī)和EEC指令。國(guó)家性標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)有美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)、美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)、美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)(SAE)、德國(guó)郵電部(ITZ)、德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)(VOE)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)、日本民間干擾控制委員會(huì)(VCCI)，上述標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的作用是與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)，并且制定各國(guó)家自己的標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)際上各大型汽車公司都有自己的企業(yè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)福特公司、通用公司，德國(guó)大眾、寶馬、梅賽德斯－奔馳公司，法國(guó)的標(biāo)致－雪鐵龍公司等，其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格很多，例如通常國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于汽車抗擾度的要求通常為24V/m,而一些汽車公司則規(guī)定為100~200V/m。
我國(guó)吸收了發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)制訂了汽車電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，并使之逐步升級(jí)、不斷完善。
表2為各個(gè)整車廠汽車電子需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)。

以上標(biāo)準(zhǔn)可以分為兩類，一類是設(shè)備對(duì)外的無(wú)線電騷擾。另一類是外部對(duì)我們?cè)O(shè)備的干擾，要求我們的設(shè)備具有一定的抗干擾特性。這兩方面都必須順利通過測(cè)試，并且滿足整車廠家的要求。
4汽車電子電磁兼容設(shè)計(jì)方法
那么如何提高汽車電子產(chǎn)品的自身抗擾度以及降低自身對(duì)外的電磁發(fā)射，滿足各類整車制造廠家的要求？
電磁兼容性設(shè)計(jì)主要從以下三個(gè)方面入手：
1)抑制干擾源。
2)切斷或減弱干擾的耦合路徑。
3)提高電子模塊的抗干擾能力。
其中抑制干擾源是最直接也是最有效解決電磁干擾的方法，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分析干擾產(chǎn)生的機(jī)理，采取必要措施加以抑制或消除，當(dāng)采取措施后仍達(dá)不到目標(biāo)時(shí)，再?gòu)那袛嗷驕p弱干擾的耦合路徑著手解決。
通常，電磁兼容性設(shè)計(jì)的基本方法有如下幾種：
4.1屏蔽
根據(jù)屏蔽目的的不同，屏蔽體可分為靜電屏蔽體、磁屏蔽體和電磁屏蔽體三種。
1)靜電屏蔽體：由逆磁材料制成，并和地連接。靜電屏蔽體的作用是使電場(chǎng)終止在屏蔽體的金屬表面上，并把電荷轉(zhuǎn)送入地。
2)磁屏蔽體：由磁導(dǎo)率很高的強(qiáng)磁材料制成，可把磁力線限制于屏蔽體內(nèi)。
3))電磁屏蔽體：主要用來(lái)遏止高頻電磁場(chǎng)的影響，使干擾場(chǎng)在屏蔽體內(nèi)形成渦流并在屏蔽體與被保護(hù)空間的分界面上產(chǎn)生反射，從而大大削弱干擾場(chǎng)在被保護(hù)空間的場(chǎng)強(qiáng)值，達(dá)到了屏蔽效果。有時(shí)為了增強(qiáng)屏蔽效果，還可采用多層屏蔽體，其外層一般采用電導(dǎo)率高的材料，以加大反射作用，而其內(nèi)層則采用磁導(dǎo)率高的材料，以加大渦流效應(yīng)，如圖1所示。

4.2濾波
濾波是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。無(wú)論是抑制干擾源，消除干擾耦合路徑，還是提高電控系統(tǒng)的抗干擾能力，都可以采用濾波電路。
濾波器按通過信號(hào)的頻段分低通、高通、帶通、帶阻等四種類型，如圖2所示。
1)低通濾波器：允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。
2)高通濾波器：允許信號(hào)中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。
3))帶通濾波器：允許一定頻段的信號(hào)通過，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。
4))帶阻濾波器：抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過。
按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。

1)無(wú)源濾波器：僅由無(wú)源元件(R、L和C)組成的濾波器，利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。
2)有源濾波器：由無(wú)源元件（一般用R和C)和有源器件（如集成運(yùn)算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件（如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。
4.3接地
接地是指將電路、殼體等與參考地連接，目的是提供一個(gè)等電位點(diǎn)或面。地線的作用是為電路或系統(tǒng)提供基準(zhǔn)等電位點(diǎn)或面，抑制電磁騷擾，為電流回路提供一條低阻抗路徑，如圖3所示。

理想的接地平面是零電位、零阻抗的導(dǎo)體。由于接地材料的物理性能，決定了沒有這樣理想的接地平面。所以，系統(tǒng)中兩個(gè)接地點(diǎn)之間總是存在一定電位差。接地系統(tǒng)中電位差能否達(dá)到最小，決定了該接地系統(tǒng)的效率。
4.4合理的PCB布局布線
PCB的布局布線，會(huì)直接影響電子系統(tǒng)的電磁兼容性。PCB layout時(shí)，要選擇合理的布線寬度、采用正確的布線策略、合理規(guī)劃PCB的尺寸與元器件的布局。一般來(lái)說，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射與PCB布局布線關(guān)系不大，而近場(chǎng)感應(yīng)的大小與PCB布局布線有著直接的關(guān)系。
近場(chǎng)感應(yīng)的電感性耦合，其互感隨著導(dǎo)線間距的加大和靠近接地平面而減小，故應(yīng)最大可能地使電路隔開，正確布設(shè)導(dǎo)線的方向，限制電流的頻率和上升時(shí)間，利用屏蔽和接地等方法來(lái)減小電感性耦合的影響。
近場(chǎng)感應(yīng)的電容性耦合，其減小電容性的方法與電感性耦合相同，在實(shí)際應(yīng)用上應(yīng)使所有導(dǎo)線盡量接近地平面。
4.5搭接
搭接是在兩金屬表面間建立低阻抗通道，目的是為電流的流動(dòng)安排一個(gè)均勻的結(jié)構(gòu)面，以避免在相互連接的兩金屬間形成電位差，因?yàn)檫@種電位差會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。
搭接通道可以建立在系統(tǒng)接地面的兩點(diǎn)之間，也可以建立在接地基準(zhǔn)與組件、電路或結(jié)構(gòu)單元之間。
4.6隔離
隔離的目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)到降低電磁干擾。
電路隔離主要有模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、模擬和數(shù)字電路之間的隔離。
常用隔離方法有變壓器隔離、光電隔離、放大器隔離、空間隔離等。變壓器隔離是通過隔離變壓器使電子設(shè)備與汽車供電系統(tǒng)隔離，再通過穩(wěn)壓電路進(jìn)一步抑制干擾；光電隔離是使控制電路與被控電路的地線分開，通過光電耦合器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換對(duì)負(fù)載進(jìn)行控制；放大器隔離是利用隔離放大器，使輸入、輸出和電源電路之間沒有直接電路耦合，即信號(hào)在傳輸過程中沒有公共的接地端?？臻g隔離是使干擾源盡量遠(yuǎn)離易擾元器件，從空間上實(shí)現(xiàn)抑制干擾。
4.7熱設(shè)計(jì)
電子系統(tǒng)或元器件在高溫時(shí)其抗干擾性能會(huì)降低，所以對(duì)電子系統(tǒng)或元器件的安裝布局位置、散熱進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，也是提高電子系統(tǒng)抗干擾能力的有效措施。
從有利于散熱的角度考慮，大功率器件要有散熱處理。同一塊PCB上的元器件應(yīng)盡可能按發(fā)熱量的大小及散熱程度分區(qū)擺放，發(fā)熱量小或耐熱性差的元器件放在PCB中間位置，發(fā)熱量大或耐熱性好的器件放在PCB邊緣靠近金屬殼體位置。
4.8抗干擾軟件設(shè)計(jì)
硬件抗干擾設(shè)計(jì)是電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)的首選措施，能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸路徑。由于干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，且具有很大的隨機(jī)性，在電子系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)中采取抗干擾軟件設(shè)計(jì)加以補(bǔ)充，作為硬件抗干擾措施的輔助手段，軟件抗干擾設(shè)計(jì)有簡(jiǎn)單、靈活方便、占用硬件資源少、投入成本低等優(yōu)點(diǎn)。
常用的軟件抗干擾技術(shù)有數(shù)字濾波、軟件陷阱、指令冗余、重復(fù)輸出等。
5設(shè)計(jì)實(shí)例
某車載量產(chǎn)控制器殼體采用鋁制材料，PCB采用4層板設(shè)計(jì)，如圖4所示，板內(nèi)從上到下依次為信號(hào)層－地層－電源層－信號(hào)層。

最初進(jìn)行的開發(fā)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，無(wú)線電頻率傳導(dǎo)噪音的測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)得平均值在80~108MHz,超出3dB,如圖5所示：

通過探測(cè)工具掃描整個(gè)控制器PCB區(qū)域，發(fā)現(xiàn)電源芯片處輻射噪聲最強(qiáng)，重點(diǎn)檢查電源芯片電路和PCB設(shè)計(jì)。
由于電源芯片集成兩級(jí)DC-DC模塊，其中蓄電池電壓轉(zhuǎn)換為第一級(jí)電壓的開關(guān)頻率f1=440KHz,再轉(zhuǎn)換為第二級(jí)電壓的開關(guān)頻率f2=2.4MHz。初步判斷干擾信號(hào)是通過這兩個(gè)DC-DC模塊產(chǎn)生。
通過分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的噪聲峰值之間的頻率差基本都是2.4MHz的整分?jǐn)?shù)之一。進(jìn)一步增強(qiáng)判斷的合理性。
采取以下改進(jìn)措施:
l)在PCB的地層分割出兩個(gè)不同的地平面，高暫態(tài)電流回路（兩個(gè)DC-DC模塊）中涉及的功率元件接功率地PGND,其他元件接GND。PGND和GND的連接點(diǎn)盡可能遠(yuǎn)離PGND地平面。
2)盡可能減小兩個(gè)DC-DC回路的電流環(huán)，把涉及高暫態(tài)電流回路的功率級(jí)元件盡可能靠近電源芯片。避免將任何功率元件靠近其他需要驅(qū)動(dòng)小電流的元件，因?yàn)檫@種元件很容易受到開關(guān)噪聲的干擾。
3))如果大電流回路需要穿過PCB,使用多過孔限制寄生電阻和電感。
4))避免在DC-DC功率元件投影下方連接GND的地平面和走線。
5)避免在DC-DC功率元件投影下方進(jìn)行小信號(hào)走線。
6)將高阻抗信號(hào)的元件靠近設(shè)備引腳連接，以避免噪聲的注入。
經(jīng)過重新設(shè)計(jì)、制版、調(diào)試，最終通過全部電磁兼容實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。
6結(jié)論
在項(xiàng)目早期就要規(guī)劃電磁兼容設(shè)計(jì)?？紤]越早，問題越簡(jiǎn)單，解決問題所需要的成本越低。電磁兼容問題產(chǎn)生的原因很多，只要找到問題的關(guān)鍵點(diǎn)，合理分析，采取有效措施，電磁兼容問題就會(huì)迎刃而解。
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