汽車電子風扇電機控制電路與主電路電磁兼容分析與優(yōu)化

隨著電動汽車以及自動駕駛技術(shù)的推廣，大量電子電氣設(shè)備的使用對電磁兼容（EMC）提出了日趨嚴苛的要求，產(chǎn)品設(shè)計中的EMC問題變得越來越重要。該文對主電路分單純鋪銅、增加鐵質(zhì)連接片以及增加鐵質(zhì)連接片與銅質(zhì)導線三種情況分別建立有限元模型，計算得到了表面電場強度，分析了電場分布趨勢。通過實驗測量風扇電機控制電路和主電路的電磁場分布。

實驗結(jié)果證明仿真結(jié)果的正確性，進而分析局部電場強度集中的原因，給出改進措施。對控制電路主芯片連接MOSFET柵極的信號網(wǎng)絡(luò)進行信號完整性分析，仿真計算得到了線路眼圖，通過調(diào)整終端電阻，改善了眼圖的眼高和眼寬，有效地提高了信號的傳輸質(zhì)量。

通過主電路的有限元分析和控制電路的信號完整性仿真，精確地研究了電場強度和線路眼圖，相比傳統(tǒng)的定性分析方法，給出了更加準確的電子電路改進措施。

近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速。汽車設(shè)計、制造的整體水平有了大幅度的提高。與此同時，用戶對汽車安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適等方面的需求也不斷提高，因此車載電氣電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。相關(guān)統(tǒng)計表明，國內(nèi)緊湊型轎車的電子零部件成本約占整車的25%，豪華品牌轎車的比例則高達40%，而且這些電子產(chǎn)品的種類和數(shù)量還在不斷增加，同時它們的工作頻率及功率也逐漸增大。

隨著電動汽車以及自動駕駛技術(shù)的推廣，汽車中電氣電子設(shè)備進一步高度集成，產(chǎn)品功能日趨復雜，需要在有限的空間中放置更多的電氣電子產(chǎn)品，所以電子產(chǎn)品間的電磁環(huán)境變得更加惡劣，對汽車中電子產(chǎn)品的電磁兼容提出了更嚴苛的要求。比較突出的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）問題甚至會引起汽車的各種故障，如指示燈誤操作，安全氣囊不能及時彈出等。

2018年5月23日，在因特爾所屬自動駕駛技術(shù)公司Mobileye所在地的新聞發(fā)布會上，一輛自動駕駛汽車徑直闖過了紅燈，并沒有任何剎車的跡象，其原因是電視臺工作人員在車內(nèi)安裝的攝像頭的無線信號傳送器發(fā)出電磁干擾，對交通信號燈內(nèi)轉(zhuǎn)調(diào)器的正常工作造成影響。雖然沒有造成人員傷亡，但這次事故暴露出了電磁兼容問題的嚴重性。如何有效地解決汽車中設(shè)備級電磁兼容問題，是當前研究工作的重中之重。

對于電磁兼容問題，文獻[7]主要通過濾波和屏蔽，在傳播路徑上抑制電磁輻射；文獻[8]主要對印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）上的線路進行合理布局，通過減小電流環(huán)路面積來減少電磁輻射。在現(xiàn)代電氣電子設(shè)備中，信號頻率的不斷增加和開關(guān)管高速動作都會導致嚴重的電磁干擾。

與此同時，由于電流的趨膚效應(yīng)導致在印制板鋪銅邊緣電流密度過大，引起局部近電場強度過大，如此一來，勢必會引起遠場輻射能力的增強，使其他敏感元器件受到強烈的電磁干擾，因此減少局部電場強度是電磁兼容中重要的一項。

信號完整性（Signal Integrity, SI）是指電路信號能夠在不影響系統(tǒng)其他信號質(zhì)量的前提下，通過一段傳輸路徑后到達接收端口時波形的完整程度。當電路上的信號可以按要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅值從發(fā)射端到達接收端，就說明本電路具有良好的信號完整性。

電路的信號完整性受多種因素共同影響，一般是由于信號的邊沿過于陡峭、阻抗不匹配以及臨近線路對它的電磁干擾。如果在進行信號完整性分析時對電路板上的每一個信號網(wǎng)路進行分析，勢必會產(chǎn)生大量人力和資源的消耗，可行性較低，所以在實際的信號完整性分析時，通常會將系統(tǒng)中的信號進行劃分，計算信號網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵信號，以達到節(jié)省計算時間和資源的目的。

對于信號完整性的分析，文獻[14]采用S參數(shù)分析信號線路在不同頻率下阻抗的變化方法，而眼圖是一種在固定工作頻率下分析信號質(zhì)量的方法。相比而言，眼圖可以直觀反映出信號網(wǎng)絡(luò)在工作頻率中的系統(tǒng)噪聲、時間抖動和過沖等現(xiàn)象。

汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，一般通過散熱器風扇提高水箱周圍風速的辦法，提高散熱器的冷卻效率。散熱風扇的發(fā)展歷經(jīng)了三個階段：①發(fā)動機直接帶動風扇轉(zhuǎn)動，這種方式效率低下，且會增加油耗；②電磁離合器控制風扇轉(zhuǎn)速，一般有兩檔或三擋，但由于發(fā)動機的溫度跟駕駛環(huán)境和駕駛習慣有很大關(guān)系，離合器需要頻繁換擋、容易損壞，且效率的提高和油耗的減少并不十分明顯；③電子風扇階段，由車輛電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）控制風扇轉(zhuǎn)速，可根據(jù)水箱溫度實現(xiàn)無極調(diào)速、效率高、能耗低、壽命長。

本文通過對汽車電子風扇電機控制電路與主電路的電磁兼容進行分析和優(yōu)化，提高了該電路在復雜電磁環(huán)境中的抗干擾能力并降低了該電路對外的輻射發(fā)射。

汽車冷卻裝置原理

實物圖及局部放大

結(jié)論

本文對部分主電路分三種情況單獨建立了有限元模型，計算得到了表面電場強度，分析了電場分布趨勢，并通過實驗驗證了仿真的正確性。計算結(jié)果證明，MOS管通斷瞬間會有很高的高頻分量， 90°直角的出現(xiàn)導致信號在直角處的輻射最強，對周圍電路造成嚴重電磁干擾，建議在大功率電路中，即使工作頻率較低，也應(yīng)該避免出現(xiàn)90°直角。

信號完整性分析表明，通過調(diào)整電路參數(shù)，可以明顯改善驅(qū)動信號的眼圖。相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗式定性分析方法，數(shù)值仿真技術(shù)可以給出更加準確的電子電路改進措施，進而提升PCB的可靠性減少故障率。