汽车电子系统的电磁兼容设计

1引言

电磁兼容性(EMC，Electro-Magnetic Compatibility)是指电器电子产品能在电磁环境中正常工作，并不对该环境中其它产品产生过量的电磁干扰(EMI，Electro- Magnetic Interference)。这就包含着2方面要求，其一是要求产品对外界的电磁干扰有一定的承受能力;其二是要求产品在正常运转过程中，该产品对周围环 境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。汽车电器的电磁兼容性就是指在汽车及其周围空间中，在运行时间内，在可用的频谱资源条件下，汽车本身以及周围的用电 设备可以共存，不致引起降级。

ABS防抱死制动系统，发动机燃油点火电子控制系统，GPS全球定位系统等电子设备的正常可靠工作都必须重视对电磁兼容技术的设计和研究，可以从传 统的汽车电器(诸如起动机、刮水电动机、闪光器、空调启动器、燃油泵等)入手进行探讨，交流发电机电缆的连接和间歇切断也是产生较大功率电磁辐射的干扰 源，只是其它设备对其工作可靠性的影响较那些小功率高频段的电子设备为小。现在，交流发电机的调节器与电子点火系统一样，已经设计成集成模块化结构，同样 面临抗干扰的问题。

2汽车电磁兼容性简介

随着汽车电子产品数量的增加和复杂电子模块在整个车辆中分布的增加，工程师面临日益严峻的电磁兼容性设计挑战，问题主要存在于三个方面：

如何把电磁易感性(EMS)降低到最小 以保护电子产品免受其它电子系统(如移动电话、GPS或信息娱乐系统)的有害电磁辐射的影响。

如何保护电子产品免受恶劣汽车环境的影响 包括电源电压大的瞬间变化、重负载或感性负载(如车灯和启动机)引起的干扰。

如何将可能对其它汽车电子电路产生影响的EME控制为最小

随着系统电压、车载电子设备数量以及频率的增加，这些问题将更加具有挑战性。此外，许多电子模块将与廉价的、线性度较低、偏移较大的低功率传感器接口，这些传感器工作在小信号状态，电磁干扰对它们工作状态的影响可能是灾难性的。

随着现代汽车中电子设备的增加，越来越要求进行良好的设计以确保符合电磁兼容标准的要求。与此同时，随着集成度的提高，汽车设计工程师需要系统级芯片ASIC和ASSP方案来替换多个离散元件的方案。

3 电磁干扰的来源、传播途径及检测

3.1电磁干扰的来源

汽车内部的电磁干扰主要来自发动机点火系统、电源系统、仪表系统及控制系统中的各种执行机构,干扰信号的频谱通常在0. 1～1000MHz 之间,对汽车内、外的电子设备都将造成一定的影响。干扰最严重的是发动机点火系统。点火系统通常工作在脉冲点火状态,利用傅立叶级数可将点火脉冲分解成许 多频率分量,点火线圈在这些谐波中的较高频率分量作用下,将产生高频电磁辐射;火花塞的中心电极对于高频点火脉冲可等效为具有一定电感量的电感线圈,它与 其壳体之间又可等效为一电容器,由此形成一个LC 并联回路,因此它将对点火脉冲中的某一谐波形成高频振荡,对外辐射电磁波。此外从发动机ECU 的点火脉冲输出端到点火线圈及点火线圈到火花塞之间的高压连线都可能辐射电磁波,导线越长火花延续时间也越长,发动机汽缸越多、转速越高则火花数越多,产 生的电磁干扰也越强。

其次是汽车内各种继电器、电磁阀、触点和电压调节器等,也将产生不同程度的电磁干扰。其中继电器、电磁阀动作时产生火花是干扰的主要来源。如EFI 主继电器、燃油泵控制继电器、怠速控制中的各电磁阀( ISC 阀) 、EGR 阀及其余电磁阀,大多直接或间接由ECU 中的CPU 控制,因此它们产生的干扰将直接影响ECU 的正常工作。

此外是各种电机的干扰。现代汽车中电机主要是用作各种电动功能的执行机构等,其中包括发电机、起动机、雨刷电机、电动门窗电机、通风电机、暖风电机 等等。这些电机中,有的采用硅整流交流电动机,有的采用带整流子的直流电动机,这种电动机的炭刷和整流子之间会产生较强的电火花,其频谱范围很宽,因此可 在较宽的频率范围内产生电磁干扰。尤其是这种电机出现接触不良、绝缘层破损及轴偏等工况时,它所产生的电磁干扰将大大增强。

3.2电磁干扰的分类及传播

电磁干扰(EMI)按频段可粗略划分为：0.02～2kHz，谐波干扰;2～300kHz，传导干扰或载频干扰;0.3～300MHz，射频干 扰;0.3～300GHz，微波干扰。从干扰的途径来分，0～300kHz并存着传导干扰和交变电磁场引起的近场感应干扰;射频和微波干扰都是远场的辐射 干扰。当设备和导线的长度比波长短时，主要的问题是传导干扰;当它们的尺寸比波长长时，主要的问题是辐射干扰。

3.3电磁干扰的检测

汽车电路系统由蓄电池和整流的交流发电机作为核心电源，车体作为共用搭铁，各个电器装置并联其上。相连的线束造成电器间彼此传导干扰;相邻的导线间会有感应干扰;因为天线效应，不相邻导体间又存在着辐射干扰。因而电磁干扰综合着3种途径，覆盖较宽的干扰频率。

应用频谱分析仪进行电磁兼容性分析研究，检测电磁干扰直观且可以定量。它是一种30～1000MHz窄带扫频接收机，能在某一时刻接收某个频率范围 内的能量，记录下不同频段内干扰的幅值。缺点是对于时间很短频谱范围很宽，如静电放电这一类瞬态的脉冲干扰，不能宽频段全貌反映实际干扰情况。常常只能数 台同时启用进行观测分析。

4电磁干扰的抑制

现代汽车中,各种电控系统可能相互独立,且分散安装在不同位置上,因此上述电路性干扰将不可避免地存在。为了减少这种干扰,可采取以下措施:

1、电源去耦。在共用电源的输出端设立去耦电路使电源自身具有一定的抑制干扰的能力;对不同的系统(如不同的ECU) 采用各自的电源退耦滤波电路,减少系统之间通过共用电源而引起的电路性干扰,同时在电路设计时,应在CPU 及其它集成电路的电源引入端就近接入退耦滤波电容器,减小电源引线电阻引入的电路性干扰;对同一电路中不同电流回路间的电路性干扰,应采用一点接地法,这 一点在设计PCB 板时应充分考虑。

2、限制耦合阻抗,使其尽量小。为此必须减小导线电阻和它的等效电感,设计PCB 板时应充分考虑使电源引线和公共地线分布合理且宜直、短而粗些;信号的输入输出引线也应尽可能短而直;将温度传感器等的模拟信号处理电路的接地与CPU 等数字量的处理电路的接地分开布局,而后再一点接地。

3、给ECU 单独供电。现代汽车中电气环境恶劣,不少设备是脉冲式供电,有的设备电压变化大(如发动机启动时,电压可从12V 降至8V) ,若将ECU 与它们接在同一电源上,就会使ECU 工作失常甚至遭到破坏,因此各ECU 的供电应采用无噪声隔离接头,将它们的供电线路和搭铁接头和蓄电池主要负载的接头分开。ECU 最好采用独立的供电、稳压及滤波系统。

4、电位隔离。对电平差较大的系统,如信号传输设备与电磁阀驱动电路、高压点火电路等大功率、高电压电路之间采用变压器、光电耦合等器件进行电位隔 离,可抑制相应的干扰。为抑制电容性干扰,应合理布置电线、电缆等传输线,对敏感度较高的信号输入/ 输出线,采用屏蔽线进行信号的传输,可有效地减小电容性干扰。

现代汽车内另一种影响较大的干扰是电磁辐射干扰。它主要表现为强电流或高电压电路部分对弱电流、小信号电路部分形成的辐射干扰,其中较为突出的是脉 冲辐射干扰。车内的点火脉冲、继电器、电磁阀等的接通与断开,都可能形成电磁脉冲干扰。这种电磁能量将通过载两端的分布电容形成的LC 并联回路产生振荡,电磁波通过相应导线和车体辐射干扰其它系统,尤其是干扰通信系统。因此,要选择抗干扰性能较好的车载通信系统。当传感器受到干扰时,则 可导致相应的ECU 系统产生误动作甚至严重后果。为此在编写ECU 软件时,可利用软件抗干扰技术,写入有效的抗干扰程序,如常用的数字滤波等;对CPU 采用一系列抗干扰技术,如程序运行监控系统、软件陷井,还可采用软、硬件的容错设计等技术。

电磁辐射干扰的抑制,在硬件方面通常采用屏蔽、阻尼、接地或滤波等措施 。如在点火装置的高压电路中,用电阻性电缆串入适量的电阻,减小由火花干扰引起的高频振荡;无分电器的发动机中,常采用屏蔽火花塞抑制点火干扰;对所有容 易产生火花(或电弧) 的电器,都采用金属罩屏蔽,且引出导线采用带屏蔽网的导线,并将屏蔽网搭铁。各ECU 系统应远离喇叭等强磁体,并安装在金属屏蔽盒内,以防ECU 受到直接干扰。各种传感器引线触点间常并联一个0. 01～0. 08μF 的电容,在电源正负极之间、各种仪表的接线端之间,都并接一个0. 2～0. 8μF 的电容器,可较好地抑制干扰。

5 总结

我国对汽车电器电子设备电磁兼容性系统研究起步较晚，目前已日益受到重视，这对提高汽车产品出口竞争力至关重要。电磁兼容性出口的CE或FCC认证费用十 分昂贵，提高认识，及时调整好各项参数，可以缩短认证周期，降低成本，使我国出口产品具有优秀的EMC品质，品质稳步提高。