車(chē)載GPS監(jiān)控設(shè)備的汽車(chē)電源環(huán)境的設(shè)計(jì)分析 - 全文

引言

????? 隨著汽車(chē)微電子裝備的大量增加，半導(dǎo)體邏輯器件對(duì)電磁干擾敏感度相當(dāng)高，加之汽車(chē)線(xiàn)速與有關(guān)高場(chǎng)強(qiáng)頻段的波長(zhǎng)可以比擬，這些頻段存在對(duì)車(chē)載電子系統(tǒng)造成強(qiáng)烈電磁干擾的隱患；車(chē)載電磁低電壓、大電流負(fù)載特性使其開(kāi)關(guān)過(guò)程在供電線(xiàn)路上產(chǎn)生很多脈沖干擾，進(jìn)一步惡化了電磁環(huán)境。因而，在實(shí)際的汽車(chē)電器設(shè)計(jì)中，電磁兼容設(shè)計(jì)通常成為設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

　　由于汽車(chē)內(nèi)部的自生騷擾發(fā)射干擾源有很多，如刮水器電動(dòng)機(jī)、燃油泵、火花點(diǎn)火線(xiàn)圈、空調(diào)起動(dòng)器、交流發(fā)電機(jī)線(xiàn)纜連接的間歇切斷，以及某些無(wú)線(xiàn)電子設(shè)備，如手機(jī)和車(chē)載電臺(tái)等。這些干擾源是產(chǎn)生種瞬變電脈沖即可能通過(guò)電磁騷擾發(fā)射對(duì)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(chē)上的干擾源

　　汽車(chē)電系上的負(fù)載多種多樣，既有小阻抗、大電流的阻性感性負(fù)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(hào)源，它們不僅對(duì)外是潛在的干擾發(fā)射源，也是對(duì)車(chē)載電子產(chǎn)品的干擾源。另外，由于高機(jī)動(dòng)性，汽車(chē)也可能會(huì)處于各種可以想像得到的從低頻到高頻的復(fù)雜電磁場(chǎng)中，由此產(chǎn)生的電磁干擾耦合也會(huì)影響汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。汽車(chē)電系內(nèi)的電壓可以歸納為以下幾類(lèi)：正常工作電壓、異常穩(wěn)態(tài)電壓、無(wú)線(xiàn)電干擾電壓、瞬變過(guò)電壓和靜電放電。

　　2 汽車(chē)電器的電磁兼容

　　設(shè)計(jì)汽車(chē)電器的電磁兼容環(huán)境應(yīng)是一個(gè)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(jí)或失效的電磁干擾的發(fā)生必須同時(shí)具備3個(gè)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(wèn)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(xì)分為：天線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)耦合、場(chǎng)對(duì)線(xiàn)耦合和線(xiàn)對(duì)線(xiàn)耦合。針對(duì)干擾的傳播和耦合途徑，在汽車(chē)電器工程實(shí)踐中要采取如下的系統(tǒng)方法來(lái)改善emc特性：濾波、屏蔽、搭鐵和布線(xiàn)。

　　2.2 干擾源和敏感設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)

????? 在方案已定的功能電路中，檢驗(yàn)電磁兼容指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求；此時(shí)如不滿(mǎn)足要求，則可通過(guò)參數(shù)修改來(lái)達(dá)到指標(biāo)，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(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，包括濾波、屏蔽、搭鐵與搭接設(shè)計(jì)，甚至采用時(shí)空隔離和頻率回避等改進(jìn)措施。最后是做布局調(diào)整性設(shè)計(jì)，包括對(duì)總體布局的檢驗(yàn)、屏蔽體縫隙的檢驗(yàn)、組件和印制板布局檢驗(yàn)等。電路和分系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)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(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、電路布局和系統(tǒng)布局規(guī)劃。

　　3 汽車(chē)電子電磁干擾（EMI）及其影響

　　當(dāng)以點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)在公路上運(yùn)行之時(shí)，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓點(diǎn)火系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁波，干擾其周?chē)臒o(wú)線(xiàn)電廣播和無(wú)線(xiàn)電通訊業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，并且對(duì)電磁環(huán)境造成污染。自此人們將電磁污染列人到汽車(chē)造成的三大污染源之一（排放、噪聲、電磁）。國(guó)際無(wú)線(xiàn)電組織開(kāi)始對(duì)這種高能量脈沖形式的干擾源進(jìn)行研究并提出了測(cè)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(guó)的技術(shù)法規(guī)中。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)規(guī)范，市場(chǎng)上運(yùn)行的汽車(chē)基本實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火脈沖電磁噪聲的有效控制。

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

　　車(chē)輛產(chǎn)生的電磁干擾不但對(duì)車(chē)輛外界的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備造成影響，而且也會(huì)對(duì)車(chē)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(chē)輛電磁干擾對(duì)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(chē)出現(xiàn)了許多由于車(chē)輛內(nèi)部電磁干擾對(duì)車(chē)輛的正常運(yùn)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(kāi)始研究車(chē)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(chē)內(nèi)電磁干擾現(xiàn)象

　　汽車(chē)產(chǎn)生電磁干擾的源有：高壓點(diǎn)火系統(tǒng)；各種感性負(fù)載（如電機(jī)類(lèi)電器部件）；各種開(kāi)關(guān)類(lèi)部件（如閃光繼電器）；各種電子控制單元ECU；甚至各種燈具，無(wú)線(xiàn)電設(shè)備等。這些部件產(chǎn)生的干擾會(huì)在汽車(chē)內(nèi)部造成相互影響。下面列舉一些實(shí)際發(fā)生的現(xiàn)象。

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

　　現(xiàn)象2：國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的某一型號(hào)微型汽車(chē)，其發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器經(jīng)常出現(xiàn)易被擊穿損壞現(xiàn)象。經(jīng)查，當(dāng)雨刮器工作時(shí)，這種損壞現(xiàn)象就容易發(fā)生。

　　分析上述兩個(gè)實(shí)例，造成這種現(xiàn)象的主要原因是雨刮器。雨刮器驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為感性負(fù)載，在切斷電源時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向電流并通過(guò)電源線(xiàn)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(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的安全氣囊，在汽車(chē)整車(chē)裝配線(xiàn)上突然引爆。經(jīng)對(duì)該安全氣囊的電子引爆控制器進(jìn)行試驗(yàn)檢查，發(fā)現(xiàn)其不能承受較強(qiáng)的環(huán)境輻射電磁場(chǎng)，當(dāng)有靜電放電發(fā)生時(shí)，會(huì)有誤動(dòng)作。

　　二、汽車(chē)內(nèi)電磁干擾的特點(diǎn)

　　車(chē)輛內(nèi)部的電磁干擾擾特點(diǎn)不同于車(chē)輛對(duì)外部的干擾。車(chē)內(nèi)電磁干擾可以通過(guò)各種連接線(xiàn)纜傳播，也會(huì)以耦合方式、空間輔 射發(fā)射的方式進(jìn)行傳播。典型的形式有：沿電源線(xiàn)傳導(dǎo)干擾；人體靜電放電對(duì)電子部件的干擾；干擾能量通過(guò)空間輻射等。下面就一些典型干擾源的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

　　三、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生沿電源線(xiàn)傳導(dǎo)的干擾

　　發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的電路框圖如圖1。傳感器獲取點(diǎn)火信號(hào)Va，由驅(qū)動(dòng)電路在點(diǎn)火線(xiàn)圈初級(jí)產(chǎn)生一通斷的脈沖電流Ib，線(xiàn)圈次級(jí)產(chǎn)生高壓脈沖使火花塞放電，點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃油混合氣作功。當(dāng)線(xiàn)圈初級(jí)回路通斷變化過(guò)程時(shí)，初級(jí)繞組會(huì)產(chǎn)生瞬變電壓，次級(jí)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(jí)回路中的瞬變電壓則沿電源線(xiàn)傳到電源系統(tǒng)中，干擾電源系統(tǒng)，產(chǎn)生一波動(dòng)電壓△V。如圖2。一般情況不一，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到△V為2～4V。

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　　汽車(chē)中應(yīng)用的各種電子控制單元，要求有一個(gè)穩(wěn)定的電源電壓供電，才能正常工作。當(dāng)供電系統(tǒng)中出現(xiàn)電壓波動(dòng)（如△V），會(huì)對(duì)電子模塊的正常工作產(chǎn)生影響。

　　四、感性負(fù)載產(chǎn)生沿電源線(xiàn)傳導(dǎo)的干擾

????? 汽車(chē)內(nèi)使用的各種類(lèi)型的電機(jī)都屬于感性負(fù)載。如：雨刮器驅(qū)動(dòng)電機(jī)；汽車(chē)啟動(dòng)電機(jī)；暖風(fēng)電機(jī)等。這類(lèi)負(fù)載特性電路如圖3。當(dāng)感性負(fù)載的供電被突然切斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向瞬變電壓Vc，如圖4。線(xiàn)圈初始儲(chǔ)能越大，關(guān)斷速度越快，瞬變過(guò)電壓就越高。實(shí)測(cè)結(jié)果，一般Va為-100V～300V；is為0.2s～0.5s。

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　　這種類(lèi)型的干擾雖然不具有連續(xù)性，但是它的瞬變電壓的幅值相當(dāng)大，偶爾的出現(xiàn)會(huì)對(duì)電子模塊造成嚴(yán)重影響，甚至損壞。前文中介紹的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器擊穿損壞就是因這種反向瞬變電壓造成的嚴(yán)重后果。

　　五、靜電放電對(duì)車(chē)內(nèi)電子部件的干擾

　　人體會(huì)產(chǎn)生靜電，尤其在我國(guó)的北方地區(qū)，冬天氣候干燥，人體容易產(chǎn)生靜電。人體靜電遇到一些導(dǎo)體就會(huì)釋放出來(lái)。有直接放電，人們感覺(jué)不到。當(dāng)靜電儲(chǔ)存到一定程度后，會(huì)通過(guò)空氣放電，甚至?xí)谢鸹óa(chǎn)生，人們就會(huì)有強(qiáng)烈的放電感覺(jué)。人們?cè)谑褂闷?chē)時(shí)，這種靜電放電現(xiàn)象是不可避免地會(huì)產(chǎn)生。

　　靜電的放電過(guò)程，既可能是正放電過(guò)程，也可能是負(fù)放電過(guò)程，其一放電特性如圖5。放電電壓U最高達(dá)1.5 kV～2.5kV；放電時(shí)間is，接觸放電：0.7 ns～1ns，空氣放電：0.7 ns～5ns；放電電流很小，nA級(jí)。

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　　這種類(lèi)型的干擾特點(diǎn)是：高電壓；短時(shí)間；微小電流。其干擾影響程度是巨大的，會(huì)使一些電子控制單元產(chǎn)生誤動(dòng)作，嚴(yán)重的會(huì)損壞電子單元。如前文描述的安全氣囊的電子引爆控制器的誤動(dòng)作。

　　六、部件或線(xiàn)纜間的相互耦合干擾

　　汽車(chē)中的各種線(xiàn)纜經(jīng)常將他們捆綁成一束沿汽車(chē)內(nèi)側(cè)布置，電源線(xiàn)中的瞬變干擾會(huì)耦合到信號(hào)線(xiàn)或控制線(xiàn)中，形成差模信號(hào)，會(huì)對(duì)車(chē)內(nèi)ECU等電子模塊產(chǎn)生影響。這一點(diǎn)常被人們所忽視。

　　七、輻射干擾

　　干擾能量的電磁波輻射形式，人們比較熟悉。人們關(guān)注的頻率范圍是150kHz～1000MHz。其他頻段的千擾也是存在的，人們正在進(jìn)行研究。

　　八、電磁干擾的抑制

　　電磁干擾的抑制措施的選用，首先考慮干擾源，要根據(jù)不同的干擾源的特點(diǎn)采取不同的抑制方式。如：點(diǎn)火系統(tǒng)的干擾；電源供電系統(tǒng)的干擾；電感性負(fù)載或開(kāi)關(guān)性負(fù)載引起的干擾等。其次，考慮干擾的傳播途徑，這對(duì)采取有效地抑制措施非常重要。干擾的途徑可以是：通過(guò)供電系統(tǒng)的電纜；通過(guò)天線(xiàn)或各種導(dǎo)線(xiàn)；通過(guò)耦合；通過(guò)空間直接輻射電磁波等方式。 此外干擾抑制應(yīng)充畔慮抑制成本。一般的處理方式，限制干擾源產(chǎn)生的干擾噪聲達(dá)到規(guī)定的合理范圍內(nèi)；同時(shí)被干擾體應(yīng)具有一定的抵抗干擾的能力，以達(dá)到相互共存、互不影響的狀態(tài)。無(wú)限制地加大干擾抑制會(huì)成倍地增加抑制成本，這在實(shí)際應(yīng)用中是非常不可取的做法。

　　汽車(chē)電子電器部件的干擾抑制方式，一般規(guī)定若干等級(jí)限值，不同部件根據(jù)其特點(diǎn)和使用方式的不同，選擇一種合理的等級(jí)限值，以降低抑制成本。

　　對(duì)來(lái)自車(chē)內(nèi)供電系統(tǒng)的干擾，一種簡(jiǎn)單而有效的方法是利用蓄電池作為一個(gè)極低阻抗、大容量的瞬變電壓抑制器，吸收各種瞬變電壓產(chǎn)生的干擾能量。最好的方式是保證蓄電池電纜接線(xiàn)良好。若負(fù)極搭鐵，應(yīng)保證搭鐵電阻值最小。見(jiàn)圖1和圖3，應(yīng)盡可能保證線(xiàn)路阻抗RO達(dá)最小值，甚至為零。? 對(duì)于線(xiàn)纜間耦合引起的干擾、，一種節(jié)省成本的方法是在車(chē)內(nèi)布線(xiàn)時(shí)充分考慮合理而有效地布置線(xiàn)纜。最好的方式為將ECU控制線(xiàn)或信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)分開(kāi)布置，以減小因耦合而引起。的干擾信號(hào)侵入。此外，采用屏蔽電纜的方式，也是避免外界電磁干擾侵入控制線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)的好方法。? 對(duì)于電感性負(fù)載引起的干擾，抑制方式可以采用并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)數(shù)值的電容器，以消除反向過(guò)電壓?？傮w講，干擾抑制措施的方式有很多種，但歸納整理為：屏蔽、濾波、接地、阻尼。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　總之，汽車(chē)內(nèi)電磁干擾及其產(chǎn)生的影響是重大的，關(guān)系到汽車(chē)安全可靠性。人們應(yīng)該意識(shí)到現(xiàn)代電子化汽車(chē)中出現(xiàn)的許多新問(wèn)題，在相當(dāng)程度上與電磁干擾的影響有關(guān)。實(shí)際中，采取適當(dāng)?shù)母蓴_抑制措施，同時(shí)提高汽車(chē)電子電器部件的電磁抗擾特性，可以有效地提高汽車(chē)運(yùn)行可靠性。

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