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:汽车环境下的电磁干扰 (EMI)

作者:时间:2019-07-01来源:电子产品世界收藏

福建福彩网 www.fenshouheyue.com   Greg Bella 莫仕(Molex)首席工程师

本文引用地址:http://www.fenshouheyue.com/article/201907/402150.htm

  Jeff Ciarlette 莫仕(Molex)电气工程师主管

  0 引言

  “”对于开发未来车辆面临的一个主要的已经存在了一百多年。任何电子设备都会产生电磁辐射,其中有一些是有意发生的(例如 Wi-Fi 发射机的频率),而另一些则是无意的(例如车辆中各种电气元件产生的能量)。它们会一起构成设备的“EMI 特性”;而且, (EMC) 就是这些电子设备与EMI 和谐共存而不会产生中断、干扰或者其他不必要及不良结果的能力。

  从无线电时代最早的时候开始就努力来减轻穿过通路并且相互碰撞到一起的各种信号(那时是,现在则是无线信号)造成的拥塞。早些时候,汽车中并不存在很多的电子元件,而调幅广播则被视为是一种高端的技术。对于汽车工程师们来说,重要的一点就是需要避免使用可能无意中生成与调幅广播的频率范围 (525 kHz~1705 kHz) 相同的系统。具有“EMI 特性”、在该频率范围内具有高发射频率的设备会与调幅广播的信道发生干扰,进而在无线电扬声器上产生嘈杂的嗡嗡声或者静电噪声。

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  汽车制造商长期以来一直面临着 EMI问题,并且,随着车辆越来越多地引入电子设备,包括 GPS、Wi-Fi、蓝牙、信息娱乐系统、调幅/调频/卫星广播、功率逆变器、USB 数据、USB 充电器、无线充电器、CAN/LIN 总线、摄像头、雷达及以太网主干/网关等等,在EMI 管理上出现的已经在以指数方式增长。

  另外消费者们也在将外部设备和便携设备加入到车辆中,那些设备的 EMI 特性和频谱会发生重叠,有一定的危险,而这只会加剧对于减轻干扰的需求。

  1 EMI 及其对互连车辆和自动驾驶车辆的影响

  随着汽车制造商对需要最高程度的安全性与高性能的智能车辆和自动驾驶车辆的不断开发,将许多电气系统和电子系统安放到汽车之类密闭的空间中,意味着降低电磁干扰要比以往任何时候都重要。汽车制造商必须认真细致地确定并实施上的规范,从而确保电子设备相互之间不会产生干扰,否则会导致设备或系统的性能不尽如人意,或者在更糟糕的情况下产生危险的后果。

  充分了解一个具体的汽车网络中存在的全部 EMI 特性以及潜在的兼容性问题,并不是一件简单的任务,而在考虑到安全性的情况下,这项工作尤其重要。例如,在调幅无线电台上以噪声的形式表现出来的干扰当然不是理想的情况;然而,如果一台设备造成的干扰会使汽车的转向和制动系统的预期性能发生中断,并且危及乘客的安全,那么风险会更加值得关注。

  本文将探讨一些基本类型的电磁兼容性 (EMC) 测试,以及验证电子设备是否适合汽车应用使用的一些必需的具体测试。

  1.1 辐射发射与传导发射

  首先,非常重要的一点是要充分了解必须考虑并减轻的各种类型的发射。

  电子设备会将电磁能辐射到空中,而这种能量可以划分为有意或者是无意的。举例来说,手机会有意地发出噪声。分类为有意的原因在于,手机必须在空中连接到手机发射塔。由于电磁兼容性的缘故,我们为有意的发射施加了功率极限和谱特性。

  但是,一些电子设备也会无意地辐射出噪声,与有意的噪声不同的是,这类噪声往往可以在强度上有所减低并受到控制。有很多方法可以行之有效地降低无意的辐射噪声,包括添加金属遮蔽、改进印刷电路板 (PCB)的布局,或者战略性地加入共模扼流圈、铁素体、电阻器和电容器等等之类的滤波装置。

  电子设备在连接到设备本身的接线上可以发出称为传导发射的噪声。常见的互联接线的例子包括电力线束、USB 电缆和以太网电缆等等。在某些情况下,电缆上的传导噪声(传导发射)可以转换成空中的噪声(辐射发射),成为“嘈杂的”电缆,这种电缆可以发挥天线的作用,将传导发射转换为辐射发射。

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  2 测试方法与测试参数

  由于车辆处于不断的运动中,几乎可以行驶到任何地方,因此汽车制造商必须按照最坏情况进行假设并从事设计,同时还必须在成本最低的条件下实现能提供极高可靠性的解决方案。答案就在这里:最优的电磁兼容(EMC) 设计并选择最好的 EMI 屏蔽材料,这就要求不仅在设计阶段、而且还要在测试和仿真阶段达到极高的精度(如图1和2)。

  由于辐射发射通过空气来传播,因此可以采用校准的天线设置进行测量。必须采用以各种方向(垂直、水平,等等)来排列的多种类型的天线,从而捕捉到整个频率范围。

  在考虑到辐射发射和传导发射的测试设置、功率极限和频率范围时,汽车制造商制定了具体而又严格的要求,并且还必须确保测量技术以及合格/不合格的标准符合自身的要求。如果标准过于严格,则意味着要花费过多的成本来减轻噪声,而标准太过宽松则会无意中与其他电子设备产生干扰,造成与 EMI 有关的问题。

  辐射发射的测试范围通常在 100 kHz ~ 2 GHz,需要3种不同类型的天线来覆盖整个范围。设置内容包括DUT(被测器件)、DUT布线、GND 铜板架、前置放大器、计算机、电源、光纤数据转换器以及频谱分析仪。

  汽车制造商还必须指定要接受测试的多种 DUT操作模式。例如,USB 端口的操作模式只包括闪存盘的读写,而其他操作模式则可能要求 USB 端口提供最大的充电电流,同时另一种操作模式则可能包含将手机连接到USB 端口,从而启动 Apple Carplay 或者 AndroidAuto。然后,测试阶段就必须考虑到全部变量。

  2.1 辐射抗扰度和传导抗扰度测试

  辐射抗扰度和传导抗扰度测试的目的是确定当存在嘈杂的干扰的情况下,DUT 的性能如何。辐射发射和传导发射的通过限值必须始终低于辐射抗扰度和传导抗扰度的通过限值(如图3)。一台设备的辐射发射必须低于邻近设备的辐射抗扰度容许公差,否则就会造成不良操作。

  辐射抗扰度测试可确定当电磁干扰信号在空中穿过的情况下DUT 的性能如何。必须采用校准的噪声源,在发射天线对准 DUT 的条件下进行测试。

  传导抗扰度测试可确定进入到电缆(例如电力线束、USB电缆或者以太网电缆)中的干扰信号在连接到DUT 的情况下 DUT 的性能如何。汽车制造商通?;嶂付ú馐远嘀?DUT 操作模式,并且还将指定预期的状态级别响应。例如:

  1)状态 1 响应——可能是“无响应”。这意味着在抗扰度测试过程中,设备必须在各种操作模式下正确工作,而不会出现明显的性能降级。

  2)状态 2 响应——可能会出现明显的响应,但是在关掉干扰信号后必须自动恢复。

  3)状态 3 响应——会出现明显的响应,并且在排除掉干扰后需要用户干预,从而返回到正常操作(点火循环)。

  举例:指定在DUT 操作模式下使用 USB 端口来播放闪存盘上的音乐。指定状态 1 意味着,在测试期间音乐将继续播放而不会出现明显的性能降级(无静电、无中断等等)。对于 EMC 有无数个类型的测试设置,包括:便携式发射机;大电流注入器;耦合抗扰度。

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  2.1.1 便携式发射机测试设置

  一种特定类型的辐射抗扰度测试称为“便携式发射机”。该测试会测试 DUT 对于手机和手持式双向无线对讲机之类设备的抗扰度。如图3。

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  2.1.2 大电流注入测试设置

  一种特定类型的传导抗扰度测试称为“大电流注入”(BCI)。该方法会穿过一个磁场来路由用户的电缆和线束,从而模拟窄带辐射电磁能。如图4。

  2.1.3 耦合抗扰度测试设置

  还有一种传导抗扰度测试称为“耦合抗扰度”。该测试可模拟在同一线缆束或相邻线缆束中路由到干扰线的 DUT 电缆。然后接受测试的 DUT 电线/电缆将在1 m的长度内连接到干扰信号。如图5。

  2.1.4 其他抗扰度测试

  可以模仿车辆中苛刻的电气环境。其中一些测试包括如下。

  1)静电放电 (ESD) : 一项重要的电磁兼容性(EMC) 测试。IEC 标准IEC61000-4-2是一项广泛采用的标准,可以测试电子设备的 ESD 抗扰度。(来源:https:// ieeexplore.ieee.org/document/1282319)

  2)电源线干扰:瞬时压降(振动和连接器)、启停电池压降、温暖曲柄压降。

  3)瞬态干扰:继电器震颤耦合、电动??厮绺懈涸?、触点电弧、触点颤动。

  4)功率循环:车辆发动机启动过程中的点火循环电压波动。

  5)电压过大:负载突降(交流发电机生成充电电流并且在其他电力负载已连接的情况下,电池断开)、跳线跨接启动、交流发电机失控、变换极性。

  3 结论

  将大量的电气系统和电子系统安放到极其有限的空间当中,会带来使这些汽车系统的电磁干扰免于通过辐射发射和传导发射而产生相互干扰的问题。如果不正确的进行控制,那么产生的干扰会造成系统故障或者在某些情况下彻底失效。

  莫仕的互连车辆团队经验丰富,引入了由各种汽车业解决方案、途径和方法组成的久经考验的产品组合,用于对电磁发射和相关技术进行控制,从而使电子设备良好的耐受电磁干扰。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第7期第85页,欢迎您写论文时引用,并注明出处




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