汽車接地時的EMC設(shè)計詳解

本文討論汽車中的接地問題。首先回顧典型的汽車接地系統(tǒng)的組成，它們要實現(xiàn)的功能以及到目前為止已知的缺陷。列出了一些汽車上的輻射源，并討論了接地對于減小這些輻射所發(fā)揮的作用。

1 概述

自從1860 年把電能用于點火， 汽車就開始了向周圍電磁環(huán)境發(fā)射電磁騷擾的歷史。當今汽車，尤其是發(fā)動機點火系統(tǒng)，面臨著電磁兼容的巨大挑戰(zhàn)。在設(shè)計的過程中，為了保證汽車各部分協(xié)調(diào)工作，相互兼容，要遵循國際、國家和地方的各種電磁兼容性標準，另外，EMC工程師還必須考慮乘客舒適性，包括無線電娛樂設(shè)備，車載電話，GPS，防爆裝置（雷達和激光雷達），以及其他將在以后的職能汽車應(yīng)用到的先進設(shè)備。

汽車電子系統(tǒng)中的“地”不只發(fā)揮一種功能，這個術(shù)語通常用來指一些汽車上導體，它們有如下功能：

1 提供一個電流回路

2 為模擬傳感器和數(shù)字邏輯電路提供參考電壓

3 調(diào)頻和調(diào)幅天線的地網(wǎng)

4 用于屏蔽射頻旁路電流

5 靜電保護

本論文回顧了影響車輛系統(tǒng)接地的因素，并且舉例說明一些關(guān)鍵因素的作用。

2 汽車接地系統(tǒng)2.1 概況

如圖1所示，汽車供電系由蓄電池、發(fā)電機和典雅調(diào)節(jié)器組成，它是汽車電系的電源系統(tǒng)，為汽車電系提供足夠的電功率和穩(wěn)定的工作電壓。汽車供電系由蓄電池和發(fā)電機并聯(lián)供電。當發(fā)電機運行時，它輸出電流驅(qū)動直流負載，但是發(fā)電機的內(nèi)部電容過大，從而它無法輸出快速的開關(guān)電流。那么這個任務(wù)就得由蓄電池來完成。

另外，汽車接地系統(tǒng)首要考慮的問題就是要保證起動機正確運行，因此我們還得考慮起動機的要求。為了確保起動電機能夠在寒冷的天氣下動作，其電流回路必須在電池負極到起動機接地（一般使發(fā)動機體）之間呈現(xiàn)為直流低阻特性。起動機和蓄電池的安裝位置可能在這個地導體之間產(chǎn)生額外不利的電流回路。

2.2 接地元件

在車上，許多部件都專門用于接地，包括車身金屬體，發(fā)動機本體，配線以及蓄電池。

2.2.1 車身金屬體

盡管現(xiàn)在車身材料越來越趨向于使用復(fù)合材料或者塑料面板，但當今汽車車身仍然大面積使用金屬。因為它的尺寸，形狀和方便的布局（例如接近大多數(shù)電氣設(shè)備），車身金屬體在提供電流回路、參考電勢、屏蔽和削弱噪聲方面具有獨到之處。要設(shè)計一個好的汽車接地系統(tǒng)，其目標就是使車身金屬體的作用發(fā)揮到極致。

由于車身的外形獨特，表面積大，因此它本身就是一個巨大的電容器，現(xiàn)已驗證，車身金屬體可以吸收高頻小幅值電流。然而，這樣做存在普通阻抗耦合，特別是有電流穿過車身上接合的地方時。此外，如果把車身金屬體作為通用電流回路，而不是做某些特定的電流回路將不單不能發(fā)揮其長處，反而會增加一個重要的輻射源。美國俄亥俄州州立大學及美國Daimler-Chrysler公司曾做過實驗，發(fā)現(xiàn)如果車身金屬體只是給一般的點火電流提供回路，那么其表面電場并不穩(wěn)定，有明顯的干擾毛刺，這是由于電流通過汽車擋板時會在無線電娛樂設(shè)備中產(chǎn)生噪聲。而如果汽車外加一個部件，使電流回路避開了離擋板近的車身金屬體的話，此時其表面電場是非常穩(wěn)定的。

車身金屬體還可以屏蔽低頻電容。在頻率超過千赫的情況下，由于車身金屬體本身具有一定的厚度，因此它也會對發(fā)動機盒起到一定的電磁屏蔽作用。另外，它還是汽車與照明系統(tǒng)、外界ESD干擾以及其它車外的輻射源屏蔽的主要導體。然而，如果車身采用一般的構(gòu)造，那么這種屏蔽無法實現(xiàn)的可靠電氣整體性。金屬板之間的連接可能是靠焊點、非導體防腐插入層或非導體油漆。理想情況下，固定的金屬板通過電氣結(jié)合，可移動的金屬板（車篷和門）是通過輔助導體（接地母線）連接的。車身金屬體應(yīng)該通過一個牢固的低阻抗線束連接到電池負極。

2.2.2 發(fā)動機體和氣缸蓋

汽車發(fā)動機體和氣缸蓋中有多種電氣信號。它們之間除了可能產(chǎn)生傳導耦合之外，一些信號可以通過回路引線電感在發(fā)動機裝置和車身金屬體之間產(chǎn)生電壓。這個電壓能夠?qū)Πl(fā)動機內(nèi)的電子設(shè)備產(chǎn)生輻射或者電容耦合。

發(fā)動機和氣缸蓋在物理上是通過很多大直徑螺栓緊密連接，但連接處的電氣特性一般都比較差。氣缸蓋墊圈經(jīng)常是絕緣的，其外表通常采用劣質(zhì)導體。發(fā)動機體與其他發(fā)動機組件之間的連接處（包括發(fā)電機機架，閥門蓋和節(jié)氣門體）都是不可控的，并且在發(fā)動機工作過程中隨時可能發(fā)生變化。

2.2.3 配線

由于發(fā)動機和汽車部件的尺寸較大，那么在高頻情況下必然產(chǎn)生接地阻抗。而且這些部件之間的距離很大（米的數(shù)量級），因此電流回路的電感問題也很難消除。通常情況下，配線的電感達到幾十nH/inch，另外很多汽車部件的感性容量的數(shù)量級都可達μH。那么在汽車系統(tǒng)中幾安培或者更大、頻率高于100KHz的電流可能在電流回路中產(chǎn)生很大的壓降。

2.2.4 蓄電池

蓄電池除了可以儲存電能，它還可以抑制一些噪聲。在低頻時，鉛酸電池每100Ah呈現(xiàn)為1-2F的容抗。當與發(fā)電機并聯(lián)放置時，該電抗將有利于減少汽車充電系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻噪聲。高頻狀態(tài)下，電池內(nèi)的反應(yīng)更復(fù)雜。在25kHz到250kHz的范圍內(nèi)，蓄電池呈現(xiàn)容性（幾十nF），并且基本不隨頻率不變。據(jù)觀察，有效電容數(shù)量級的變化次序是與蓄電池的負荷狀態(tài)及大小有關(guān)的。高頻狀態(tài)下，用串聯(lián)LC電路來等效蓄電池的電抗是最佳的。此時，如果頻率高于1MHz，那么很可能發(fā)生串聯(lián)諧振。也正因為此，不能應(yīng)用蓄電池來抑制調(diào)幅廣播波段或更高的無線電頻率噪聲。

圖2 點火系統(tǒng)簡圖

3 汽車EMC要考慮的問題

據(jù)上所述，汽車本身有許多輻射源和敏感元件。由于篇幅限制，在這部分中，我們只討論汽車環(huán)境中比較特殊的元件。

3.1 點火裝置

汽車的初級和次級點火電路是最常見的發(fā)射源。由于這兩級電路經(jīng)過點火線圈耦合之后，它們的波形完全不同，在此對其進行分別介紹。

初級點火電路包括一個電流源（蓄電池或交流發(fā)電機），點火線圈和一個觸發(fā)裝置（通常用發(fā)動機控制器）?，F(xiàn)在的大多數(shù)汽車上的點火系統(tǒng)都采用的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。對于這種電路來說，與EMC首要相關(guān)的是線圈電流波形的下降沿。

圖3給出了點火線圈初級的電流、電壓波形。這部分波形包含有效的高頻能量（100KHz及其以上），它受地回路線束的電感影響。

圖3 點火線圈初級的電壓、電流波形

次級點火電路包括點火線圈，火花塞，氣缸蓋和其他導體，等效電路如圖4所示，這個回路包括發(fā)動機組和發(fā)動機控制模塊，它還包括一個1pH的接地電感，它能觸使發(fā)動機組和控制模塊對蓄電池有幾伏的電勢差。在這里，用等效串聯(lián)電壓源表示由初級電壓。盡管在足夠高的頻率下也會發(fā)生電容和輻射損耗，但是還是可以把到蓄電池的電流回路用一個等效電感來表示；Cc表示通過線圈的寄生電容。在圖中，看不出次級通過點火線圈電容耦合到初級。而這種實際存在的耦合方式既可以增加輻射電壓，也會引入更多的傳導耦合到電子系統(tǒng)當中。

如果我們盡量減少閉環(huán)回路的面積，以及合理擺放元件以縮短其間的引線距離，那么這個問題可以得到一定緩解。另外，在流經(jīng)蓄電池負極的電流回路中，不能用其他的任何導體作為參考電位，車身金屬體也不可以。

在汽車產(chǎn)生信號中，次級點火電路的信號是獨一無二的，因為其頻譜范圍可高達1GHz左右。因此它尤其可能成為一個輻射源，但是它與發(fā)動機其他部件的傳導耦合也是輻射源。

圖2和圖4給出了次級點火電路高頻發(fā)射信號的產(chǎn)生機理。蓄電池給點火線圈的初級繞組供直流電。發(fā)動機的初級繞組和次級繞組采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)。發(fā)動機控制器中的電子開關(guān)驅(qū)動導通初級繞組需要一定的時間。都知道，初級電壓被放大的倍數(shù)為匝數(shù)比（一般為幾百），在次級產(chǎn)生幾十kV的電壓。因此在線圈高邊和氣缸蓋之間加一個RF抑制電容Crf。

圖4 點火系統(tǒng)次級等效電路

火花塞RF特性可以用以下模型描述：（1）一個等效電弧阻抗L，它可以用來描述表示流過火花隙的非線性時變電流，（2）由火花塞外部帶螺紋的金屬包皮和內(nèi)部鐵芯構(gòu)成的同軸電容器。實際上，電弧不放電時火花隙是斷開的，在此我們用一個開關(guān)來表示。在開關(guān)閉合后，電容Cp快速地通過間隙放電。

3.2 車載無線娛樂系統(tǒng)

車載無線娛樂設(shè)施包含了一個屏蔽的連接單極天線的高增益放大器。無線設(shè)備對從kHz到MHz范圍的噪聲敏感，而這個變化范圍恰是汽車電氣和機械系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的范圍。

同軸電纜連接無線設(shè)備和接收機，其外層導體在擋板（天線地網(wǎng)）和接收器架之間形成一個連續(xù)屏蔽層。雖然汽車的設(shè)計者一般不知道接收器機架內(nèi)部的連接，但是可以認為接收器機架也通過接地母線連到車身金屬體上。車載無線娛樂系統(tǒng)中有幾種接地。首先是同軸電纜外屏蔽層與車身金屬體連接給單極天線提供地網(wǎng)。另外還需將同軸電纜與無線設(shè)備機架相連，這樣可以將前者表層噪聲電流轉(zhuǎn)移到后者上來，為天線信號提供回路。如果無線設(shè)備機架和車身之間沒有連接，其大面積的金屬部分將會與車身金屬產(chǎn)生容性耦合，車身金屬上的噪聲可能影響接收器的基準電壓。如果同軸電纜的外層導體沒有和接收器以及無線設(shè)備機架形成良好的連接，噪聲電流將耦合到接收器。最后，如果接收器和無線設(shè)備機架沒有共地，無線設(shè)備機架上的噪聲電流將會在接收器上產(chǎn)生容性耦合。

3.3 供電系統(tǒng)3.3.1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖1所示的傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中。發(fā)動機體與電池負極之間的這個起動機，它直徑大，但具有低阻特性，提供回路讓電流回到發(fā)動機體、蓄電池負極。要設(shè)計一個好的接地系統(tǒng)可能面臨兩個難題。第一，由于蓄電池和起動機的尺寸和安裝位置，回路中需很長的引線，這可能產(chǎn)生很大的接地電感；第二，發(fā)動機體的電阻可變，因為它是由很多結(jié)構(gòu)上獨立的部分組成的（如機身、機蓋、歧管及其支架），而且它們之間連接處的電氣特性在裝配過程中是不可控的，也并不是一層不變的。

3.3.2 供電系統(tǒng)組件

接地設(shè)計時還應(yīng)該考慮發(fā)電機和電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲有幾個來源：1．電機滑環(huán)斷續(xù)接觸時引起的電刷噪聲；2．整流時產(chǎn)生的諧波噪聲；3．整流二極管反接產(chǎn)生的脈沖噪聲；4．勵磁繞組通PWM信號時，在電壓調(diào)節(jié)器上產(chǎn)生高頻噪聲。因為摩擦和皮帶的機械移動導致靜電荷移動，因此發(fā)電機的傳動帶也成了一個噪聲源。這個小的噪聲源會加劇發(fā)動機產(chǎn)生的其他大容性信號和輻射信號。

前面已經(jīng)提到過，可以利用蓄電池內(nèi)部的電容來消除發(fā)電機噪聲，這種結(jié)構(gòu)可以吸收低頻噪聲，但對高頻噪聲就失效了，因為電池有復(fù)雜的頻率響應(yīng)和很大的導線電感。為了提高高頻抑制能力，應(yīng)該在盡可能靠近發(fā)電機外殼處讓噪聲對地分流。而外殼與蓄電池負極間通路的阻抗要低，如果采用縮短連線及減少和其他電路的耦合的方法，那一定要謹慎！

3.4 非電氣組件

前面討論的都是汽車上的電氣元件，而汽車上很多非電氣部件也都是顯著噪聲輻射源，這是由于其尺寸、形狀及安裝特性的關(guān)系。這些部件包括發(fā)動機組和氣缸蓋、散熱器、散熱器芯和排氣管。噪聲信號可能通過感性器件、容性器件、傳導元件和輻射過程耦合。

許多汽車的散熱器都是通過絕緣橡膠套管固定到車身上，因此散熱器就和參考電位在電氣上隔離。散熱器芯也是這個原理。而且，流動葉片還可以加劇容性耦合噪聲。由于車載娛樂設(shè)施也在這附近，因此這種干擾對散熱器芯的影響特別嚴重。為了抑制這些噪聲源，散熱器和散熱器芯至少一點接地到車身上?，F(xiàn)在越來越多的使用鋁制散熱器，又引發(fā)了新問題。在連接處尤其要謹慎選擇材料，必須保證金屬材料接觸時電化腐蝕最小。

3.4.2 排氣管

排氣管通過排氣歧管連接到發(fā)動機蓋，它相當于單極天線，是發(fā)動機的地網(wǎng)。這種地網(wǎng)也能產(chǎn)生輻射，可以用跨接導體來減少這些對車身金屬體的輻射。

4 結(jié)論

本論文回顧了接地技術(shù)在汽車中的應(yīng)用。設(shè)計接地時必須考慮各種電子和機電裝置，汽車電子驅(qū)動設(shè)備的數(shù)量和復(fù)雜性也在迅速增加，就給EMC工程師提出了更高的要求，他們需要綜合消費者對成本、質(zhì)量和進度的要求，設(shè)計出物美價廉的產(chǎn)品。