車載GPS監(jiān)控設(shè)備的汽車電源環(huán)境的設(shè)計分析

引言

????? 隨著汽車微電子裝備的大量增加，半導(dǎo)體邏輯器件對電磁干擾敏感度相當高，加之汽車線速與有關(guān)高場強頻段的波長可以比擬，這些頻段存在對車載電子系統(tǒng)造成強烈電磁干擾的隱患；車載電磁低電壓、大電流負載特性使其開關(guān)過程在供電線路上產(chǎn)生很多脈沖干擾，進一步惡化了電磁環(huán)境。因而，在實際的汽車電器設(shè)計中，電磁兼容設(shè)計通常成為設(shè)計成敗的關(guān)鍵。

　　由于汽車內(nèi)部的自生騷擾發(fā)射干擾源有很多，如刮水器電動機、燃油泵、火花點火線圈、空調(diào)起動器、交流發(fā)電機線纜連接的間歇切斷，以及某些無線電子設(shè)備，如手機和車載電臺等。這些干擾源是產(chǎn)生種瞬變電脈沖即可能通過電磁騷擾發(fā)射對環(huán)境中的其它設(shè)備造成干擾。所以抑制干擾的源頭較為困難。

　　1 汽車上的干擾源

　　汽車電系上的負載多種多樣，既有小阻抗、大電流的阻性感性負載，也有小電流、高電壓的脈沖發(fā)生裝置，還有高頻振蕩信號源，它們不僅對外是潛在的干擾發(fā)射源，也是對車載電子產(chǎn)品的干擾源。另外，由于高機動性，汽車也可能會處于各種可以想像得到的從低頻到高頻的復(fù)雜電磁場中，由此產(chǎn)生的電磁干擾耦合也會影響汽車電子電氣系統(tǒng)的正常運行。汽車電系內(nèi)的電壓可以歸納為以下幾類：正常工作電壓、異常穩(wěn)態(tài)電壓、無線電干擾電壓、瞬變過電壓和靜電放電。

　　2 汽車電器的電磁兼容

　　設(shè)計汽車電器的電磁兼容環(huán)境應(yīng)是一個設(shè)備共存、互不干擾的環(huán)境，這就要求系統(tǒng)具備良好的emi和ems特性。造成電器功能降級或失效的電磁干擾的發(fā)生必須同時具備3個要素：干擾源、干擾耦合通路以及敏感設(shè)備。抑制干擾源、阻斷耦合以及提高敏感設(shè)備的抗擾閾值是解決電磁兼容問題的根本措施。

　　2.1 電磁干擾的傳輸和傳輸途徑

????? 電磁干擾的發(fā)生必然存在干擾能量的傳播和傳播通道。干擾的傳輸有兩種基本方式：傳導(dǎo)和輻射。輻射耦合細分為：天線對天線耦合、場對線耦合和線對線耦合。針對干擾的傳播和耦合途徑，在汽車電器工程實踐中要采取如下的系統(tǒng)方法來改善emc特性：濾波、屏蔽、搭鐵和布線。

　　2.2 干擾源和敏感設(shè)備的電磁兼容設(shè)計

????? 在方案已定的功能電路中，檢驗電磁兼容指標是否滿足要求；此時如不滿足要求，則可通過參數(shù)修改來達到指標，如調(diào)整數(shù)字化控制器的工作頻率、圓整脈沖的上升率或重新選擇元件等。其次進行防護設(shè)計，包括濾波、屏蔽、搭鐵與搭接設(shè)計，甚至采用時空隔離和頻率回避等改進措施。最后是做布局調(diào)整性設(shè)計，包括對總體布局的檢驗、屏蔽體縫隙的檢驗、組件和印制板布局檢驗等。電路和分系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計包括如下的步驟：元件選擇、電路選擇、濾波技術(shù)應(yīng)用、搭鐵設(shè)計、屏蔽設(shè)計、電路布局和系統(tǒng)布局規(guī)劃。

　　3 汽車電子電磁干擾（EMI）及其影響

　　當以點火發(fā)動機驅(qū)動的汽車在公路上運行之時，汽油發(fā)動機的高壓點火系統(tǒng)會產(chǎn)生強電磁波，干擾其周圍的無線電廣播和無線電通訊業(yè)務(wù)的正常運行，并且對電磁環(huán)境造成污染。自此人們將電磁污染列人到汽車造成的三大污染源之一（排放、噪聲、電磁）。國際無線電組織開始對這種高能量脈沖形式的干擾源進行研究并提出了測量方法和限制要求。目前，這種電磁污染的控制要求已被列入到世界各國的技術(shù)法規(guī)中。經(jīng)過多年的技術(shù)規(guī)范，市場上運行的汽車基本實現(xiàn)了點火脈沖電磁噪聲的有效控制。

　　但隨著汽車技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，汽車電子電器設(shè)備的大量應(yīng)用，汽車電磁干擾的特點及其產(chǎn)生的影響也有了巨大的變化。汽車產(chǎn)生電磁干擾的源，不單純是點火系統(tǒng)，大量應(yīng)用于車輛上的各種電子電器設(shè)備也同樣產(chǎn)生電磁干擾。

　　車輛產(chǎn)生的電磁干擾不但對車輛外界的無線電設(shè)備造成影響，而且也會對車輛內(nèi)部的各種電子部件造成不良影響。早期人們普遍關(guān)心的是車輛電磁干擾對電磁環(huán)境的重大影響，隨著有效的治理，這種影響已經(jīng)得到了控制。近些年，汽車出現(xiàn)了許多由于車輛內(nèi)部電磁干擾對車輛的正常運行及安全性和可靠性等產(chǎn)生重大影響的現(xiàn)象，引起了人們的特別關(guān)注。目前，人們開始研究車輛內(nèi)部電磁干擾的產(chǎn)生和影響及其控制技術(shù)。

　　一、汽車內(nèi)電磁干擾現(xiàn)象

　　汽車產(chǎn)生電磁干擾的源有：高壓點火系統(tǒng)；各種感性負載（如電機類電器部件）；各種開關(guān)類部件（如閃光繼電器）；各種電子控制單元ECU；甚至各種燈具，無線電設(shè)備等。這些部件產(chǎn)生的干擾會在汽車內(nèi)部造成相互影響。下面列舉一些實際發(fā)生的現(xiàn)象。

　　現(xiàn)象1：某種中高檔次轎車，具有高性能ABS系統(tǒng)。樣車在一次實況測試中遇到了雨天，啟動雨刮器，在某一車速運行時，ABS突然失去了作用。

　　現(xiàn)象2：國內(nèi)生產(chǎn)的某一型號微型汽車，其發(fā)電機調(diào)節(jié)器經(jīng)常出現(xiàn)易被擊穿損壞現(xiàn)象。經(jīng)查，當雨刮器工作時，這種損壞現(xiàn)象就容易發(fā)生。

　　分析上述兩個實例，造成這種現(xiàn)象的主要原因是雨刮器。雨刮器驅(qū)動電機作為感性負載，在切斷電源時會產(chǎn)生反向電流并通過電源線傳輸?shù)焦╇娤到y(tǒng)中，從而在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾脈沖，一些電子部件在這種干擾脈沖條件下，不能正常工作，甚至導(dǎo)致?lián)p壞。

　　現(xiàn)象3：一種國內(nèi)開發(fā)生產(chǎn)的安全氣囊，在汽車整車裝配線上突然引爆。經(jīng)對該安全氣囊的電子引爆控制器進行試驗檢查，發(fā)現(xiàn)其不能承受較強的環(huán)境輻射電磁場，當有靜電放電發(fā)生時，會有誤動作。

　　二、汽車內(nèi)電磁干擾的特點

　　車輛內(nèi)部的電磁干擾擾特點不同于車輛對外部的干擾。車內(nèi)電磁干擾可以通過各種連接線纜傳播，也會以耦合方式、空間輔 射發(fā)射的方式進行傳播。典型的形式有：沿電源線傳導(dǎo)干擾；人體靜電放電對電子部件的干擾；干擾能量通過空間輻射等。下面就一些典型干擾源的特點進行分析。

　　三、發(fā)動機點火系統(tǒng)產(chǎn)生沿電源線傳導(dǎo)的干擾

　　發(fā)動機點火系統(tǒng)的電路框圖如圖1。傳感器獲取點火信號Va，由驅(qū)動電路在點火線圈初級產(chǎn)生一通斷的脈沖電流Ib，線圈次級產(chǎn)生高壓脈沖使火花塞放電，點燃發(fā)動機燃油混合氣作功。當線圈初級回路通斷變化過程時，初級繞組會產(chǎn)生瞬變電壓，次級繞組產(chǎn)生高電壓使火花塞放電，殘余能量形成高頻電磁波輻射到空間中。初級回路中的瞬變電壓則沿電源線傳到電源系統(tǒng)中，干擾電源系統(tǒng)，產(chǎn)生一波動電壓△V。如圖2。一般情況不一，實驗測量得到△V為2～4V。

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　　汽車中應(yīng)用的各種電子控制單元，要求有一個穩(wěn)定的電源電壓供電，才能正常工作。當供電系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓波動（如△V），會對電子模塊的正常工作產(chǎn)生影響。