ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng),發(fā)動(dòng)機(jī)燃油點(diǎn)火電子控制系統(tǒng),GPS全球定位系統(tǒng)等電子設(shè)備的正??煽抗ぷ鞫急仨氈匾晫?duì)電磁兼容技術(shù)的設(shè)計(jì)和研究,可以從傳統(tǒng)的汽 車電器(諸如起動(dòng)機(jī)、刮水電動(dòng)機(jī)、閃光器、空調(diào)啟動(dòng)器、燃油泵等)入手進(jìn)行探討,交流發(fā)電機(jī)電纜的連接和間歇切斷也是產(chǎn)生較大功率電磁輻射的干擾源,只是 其它設(shè)備對(duì)其工作可靠性的影響較那些小功率高頻段的電子設(shè)備為小?,F(xiàn)在,交流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)器與電子點(diǎn)火系統(tǒng)一樣,已經(jīng)設(shè)計(jì)成集成模塊化結(jié)構(gòu),同樣面臨抗干 擾的問題。
電磁干擾的來源、傳播途徑及檢測(cè)
(一)電磁干擾的來源
汽車電器設(shè)備受到的電磁干擾的來源常分為3種:周圍高壓變電所輸電線、大功率無線電發(fā)射基站、行駛中相距較近的汽車、雷電、太陽黑子輻射的車外電磁干擾; 由于行駛時(shí)車體與空氣高速摩擦,在車體上形成不均勻分布的靜電而產(chǎn)生的車體靜電干擾;點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的車內(nèi)電磁干擾等高頻輻射干擾。電動(dòng)機(jī)電刷換向火花的電 磁輻射,起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)和各種開關(guān)工作時(shí)放電干擾等,都是汽車電器設(shè)備電磁干擾的來源。
(二)電磁干擾的分類及傳播
電磁干擾(EMI)按頻段可粗略劃分為:0.02~2kHz,諧波干擾;2~300kHz,傳導(dǎo)干擾或載頻干擾;0.3~300MHz,射頻干擾;0.3~300GHz,微波干擾。
從干擾的途徑來分,0~300kHz并存著傳導(dǎo)干擾和交變電磁場(chǎng)引起的近場(chǎng)感應(yīng)干擾;射頻和微波干擾都是遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射干擾。當(dāng)設(shè)備和導(dǎo)線的長(zhǎng)度比波長(zhǎng)短時(shí),主要的問題是傳導(dǎo)干擾;當(dāng)它們的尺寸比波長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí),主要的問題是輻射干擾。
(三)3 類干擾分述如下
a.傳導(dǎo)干擾是通過電路連接的導(dǎo)體傳播,共電源線,共搭鐵線。圖1為傳導(dǎo)干擾的電路原理圖。
根據(jù)電子電工學(xué)知識(shí)可得各電器的工作電壓為:
式中:R——電源線電阻;
r——搭鐵線電阻;
U——支路電壓;
I——支路電流。
可見一個(gè)電器電流的變化會(huì)影響其它電器電壓變化,引起干擾。降低電器間相互干擾,必須減小R、r和I。
b.感應(yīng)干擾由各類電器、導(dǎo)線的交變電磁場(chǎng)引起,下面從電場(chǎng)耦合干擾和磁場(chǎng)耦合干擾來敘述其原理。圖2、圖3分別表示其電路原理圖。
分析圖2,則導(dǎo)線2上干擾電壓U2為:
式中:C12——兩導(dǎo)線間電容;
C20——導(dǎo)線2搭鐵電容;
R——回路電阻;
U1、I1——導(dǎo)線1的電壓、電流。
減小U2,應(yīng)從降低C12和R或增大C20入手,即增大導(dǎo)線間距離或改變電器導(dǎo)線間介電參數(shù)。
磁感應(yīng)干擾與兩回路長(zhǎng)度L1、L2,導(dǎo)線間距離b相關(guān)。由圖3可知
式中:
μ0——真空導(dǎo)磁率;M12——兩回路間互感。
降低U2,在于增大b和減小回路面積來減小M12,或減低電壓變化率。
c.輻射干擾是射頻的無線電發(fā)射通過導(dǎo)線電纜和金屬構(gòu)件這些等效的天線進(jìn)行發(fā)射干擾,因而線束的輻射干擾是最嚴(yán)重的一種。由描述電磁波的Maxwell方程可知,減小射頻電磁場(chǎng)的強(qiáng)度,要減小高頻電流I、輻射的有效長(zhǎng)度L或增大距離b。
(四)電磁干擾的檢測(cè)
汽車電路系統(tǒng)由蓄電池和整流的交流發(fā)電機(jī)作為核心電源,車體作為共用搭鐵,各個(gè)電器裝置并聯(lián)其上。相連的線束造成電器間彼此傳導(dǎo)干擾;相鄰的導(dǎo)線間會(huì)有感應(yīng)干擾;因?yàn)樘炀€效應(yīng),不相鄰導(dǎo)體間又存在著輻射干擾。因而電磁干擾綜合著3種途徑,覆蓋較寬的干擾頻率。
應(yīng)用頻譜分析儀進(jìn)行電磁兼容性分析研究,檢測(cè)電磁干擾直觀且可以定量。它是一種30~1000MHz窄帶掃頻接收機(jī),能在某一時(shí)刻接收某個(gè)頻率范圍內(nèi)的能 量,記錄下不同頻段內(nèi)干擾的幅值。缺點(diǎn)是對(duì)于時(shí)間很短頻譜范圍很寬,如靜電放電這一類瞬態(tài)的脈沖干擾,不能寬頻段全貌反映實(shí)際干擾情況。常常只能數(shù)臺(tái)同時(shí) 啟用進(jìn)行觀測(cè)分析。
汽車電器電磁兼容性
面對(duì)的3項(xiàng)技術(shù)問題和提高電磁兼容性的措施電子電器產(chǎn)品系統(tǒng)降噪技術(shù)在20世紀(jì)70年代已受到各國(guó)關(guān)注,至20世紀(jì)90年代美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC) 和歐盟CE先后提出對(duì)該類產(chǎn)品的有關(guān)規(guī)章。這些規(guī)章要求各公司確保其產(chǎn)品符合嚴(yán)格的電磁環(huán)境影響和發(fā)射準(zhǔn)則。符合這些規(guī)章的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性 (EMC)。
(一)電磁兼容性要面對(duì)的問題
汽車電器電磁兼容性需要面對(duì)的3個(gè)技術(shù)問題是:
①探討電器產(chǎn)生的電磁輻射(EME)并控制為最?。?br />
②電源電壓的瞬變,車燈、起動(dòng)機(jī)等重負(fù)載和感性負(fù)載引起的瞬態(tài)干擾是如何惡化汽車的電磁環(huán)境的;
③如何把電磁敏感性(EMS)降低到最小。電磁敏感性(Electro-Magnetic Susceptibility)是指存在電磁騷擾的情況下,裝置設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)自身性能降低的無作為能力。當(dāng)敏感性低時(shí),抗擾性則強(qiáng),足以防護(hù)電器電子產(chǎn)品 免受其它系統(tǒng)有害輻射的影響。曾有EMC=EMI+EMS這樣一個(gè)模擬的公式,表示電磁兼容性是研究降低電磁干擾和降低電磁敏感性,即增強(qiáng)抗干擾能力的。
(二)提高電磁兼容性能的措施
降低電器的電磁干擾強(qiáng)度:①要降低發(fā)電機(jī)紋波電流。交流發(fā)電機(jī)是大的功率源,減小高次諧波分量可以大幅度降低傳導(dǎo)和輻射干擾,對(duì)電器而言輸入電流諧波屬于 EMI;②應(yīng)在閃光器觸點(diǎn)前加電弧抑制器;③感性負(fù)載(如刮水電動(dòng)機(jī)、燃油泵、起動(dòng)機(jī))有電刷換向器,需要濾波電容器旁路換向火花所產(chǎn)生的高頻輻射。電容 要達(dá)到良好的濾波效果,它與噪聲源的公共搭鐵之間的連線要盡量短。
自由空間中的導(dǎo)線電感每毫米約為0.04nH。如果電刷產(chǎn)生的噪聲頻率為50~100MHz,當(dāng)電容連接的導(dǎo)線長(zhǎng)度為100~150mm時(shí),導(dǎo)線不計(jì)線間 電容,則感抗XL=2πfL=3.77Ω;而0.1μF電容的容抗XC=1/(2πfC)=0.159Ω。若導(dǎo)線長(zhǎng)度縮短為25mm,感抗僅為 0.628Ω,濾波電容效果提高80%。濾波器件應(yīng)直接由噪聲源搭鐵,使回路阻抗最小,有最佳濾波效果。必須注意,有交流分量的輸入端安裝電容一定要慎 重,解決EMC問題的同時(shí),不能引起過大的漏電流,超出安全規(guī)范的規(guī)定。
在電刷上連接一個(gè)10~25μH的電感,吸收電刷通過換向器間隙時(shí)流經(jīng)電刷電流突變的能量,串聯(lián)在電路中的扼流圈和對(duì)搭鐵的旁路電容組合成低通濾波器,也能抑制傳導(dǎo)干擾。LC濾波器比單個(gè)電容有更寬的濾波帶寬,而干擾波形尖峰產(chǎn)生的輻射干擾的抑制通過屏蔽來實(shí)現(xiàn)。
同一設(shè)計(jì)的汽車電機(jī)電器產(chǎn)生的干擾,由于工藝等的差異在幅度和頻率上有很大的隨機(jī)性。有一個(gè)良好的搭鐵線,甚至將產(chǎn)生干擾的電器裝置限制在一塊公共搭鐵板 上,就近接到車體或線束的屏蔽層搭鐵,才能保證濾波、屏蔽最有效。低頻電路的搭鐵,應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)搭鐵;高頻電路宜多點(diǎn)串聯(lián)搭鐵,搭鐵線短而粗,更有 效抑制長(zhǎng)搭鐵走線產(chǎn)生的共模干擾。輸入輸出元件盡量隔遠(yuǎn)些,高頻元件間要防止分布參數(shù)造成相互干擾。
合理布線,合理規(guī)劃線束,使大功率干擾電路應(yīng)盡可能緊靠負(fù)載,小功率敏感電路緊靠信號(hào)源,盡量分開大功率電路和小功率電路,減小線束間感應(yīng)干擾和輻射干 擾。經(jīng)過濾波的電源線要盡量遠(yuǎn)離各種信號(hào)線,以防高頻信號(hào)耦合到電源線,造成傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。對(duì)較長(zhǎng)的線束應(yīng)在線束上增加濾波器,常用的方法是套上鐵氧體磁 環(huán),降低傳導(dǎo)和輻射干擾。用于抑制電磁干擾的磁環(huán)不同于一般用做電感的鐵氧體,它的品質(zhì)因素Q值甚低,損耗較大。
濾波、屏蔽、優(yōu)化布線和搭鐵是4項(xiàng)EMC最常規(guī)采用的有效措施。但汽車鋼制車體總是作為直流電源回到負(fù)極的電路,既作為搭鐵線,又是射頻阻抗較小的信號(hào)回 流線。所以汽車電器還采用阻尼的方法來抑制輻射。發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的中心電極對(duì)殼體通過絕緣介質(zhì)構(gòu)成電容,中心電極本身又具有電感,這樣就形成一個(gè)LC振蕩回 路,火花塞的導(dǎo)線起著天線作用,以電磁波形式向空間發(fā)射,電刷與換向器、滑環(huán)間的火花,喇叭、燈開關(guān),機(jī)械式調(diào)節(jié)器、傳感器的觸點(diǎn)開關(guān),由于各自回路LC 的差異,射頻干擾頻率范圍在0.15~1000MHz之間。點(diǎn)火裝置就是采用在高壓電路串入阻尼電阻有效削弱電火花產(chǎn)生的高頻振蕩,但過大的阻值會(huì)影響火 花塞電極的能量,故一般不超過20kΩ。常采用直徑1mm的NiCrAl絲繞成,LCR并存,有良好的阻尼振蕩輻射作用。
干擾電波具有下述特性:當(dāng)從發(fā)生源臨近的地方移開時(shí)先以距離3次方的速率衰減,稍遠(yuǎn)些時(shí),以距離二次方的速率衰減,最后隨距離線性衰減。
FCC第15部分規(guī)定30~88MHz的極限值為100μV/m。
在80MHz處,相距干擾源50cm的位置,測(cè)得輻射強(qiáng)度80μV/m,應(yīng)為合格,當(dāng)距離減小為30cm時(shí),其輻射強(qiáng)度變?yōu)?00μV/m,是極限值 100μV/m的8倍,高出18.1dB。“保護(hù)距離”的概念,是指在某種條件下使用電器設(shè)備,仍可能會(huì)產(chǎn)生干擾。當(dāng)今汽車設(shè)計(jì)中都有一個(gè)高度集成的微控 制器MCU,它用來完成大量的計(jì)算并實(shí)現(xiàn)有關(guān)車輛運(yùn)行的控制,包括發(fā)動(dòng)機(jī)管理和制動(dòng)控制。除MCU模塊自身滿足EMC規(guī)范外,必須使這類關(guān)鍵元器件在保護(hù) 距離以內(nèi),達(dá)到優(yōu)良的電磁兼容性能,免受其它電器電子設(shè)備干擾。
改善電磁兼容性的試驗(yàn)研究
電磁兼容性的仿真計(jì)算僅能對(duì)電器的電磁性能進(jìn)行初步粗略的估算,最終改善汽車電器的電磁兼容性須待試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。下面對(duì)2種汽車電器產(chǎn)品采用綜合改進(jìn)措施前后的干擾波形圖進(jìn)行對(duì)比。
刮水電動(dòng)機(jī)是直流永磁蝸輪減速電動(dòng)機(jī),額定功率為60~100W,既是感性負(fù)載,又有電刷換向火花的存在,是一個(gè)大的干擾源。改善刮水電動(dòng)機(jī)的EMI性能需要改進(jìn)傳統(tǒng)的換向結(jié)構(gòu),并在刷握近處加濾波處理。圖4是改進(jìn)前后的干擾波形圖。
用無刷直流電動(dòng)機(jī)做刮水電動(dòng)機(jī),采用霍爾元件做位置傳感器,脈寬調(diào)制(PWM)變頻調(diào)速,在掃頻儀上可以看到3~18次的高次諧波干擾。
作為信號(hào)裝置的閃光器是典型觸點(diǎn)繼電器式的器件,觸點(diǎn)處于頻繁火花通斷工作。相連的線束上產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾,又引起較大的輻射干擾。改善EMC的措施是在線 束上加套的鐵氧體磁環(huán),和閃光器出線處連接的0.1μF電容構(gòu)成低通濾波器,抑制了傳導(dǎo)干擾,射頻干擾也得到大幅度衰減(尤其是50~100MHz段)。 圖5為12V/20A的閃光器改進(jìn)前后干擾波形。
同一設(shè)計(jì)的汽車電機(jī)電器產(chǎn)生的EMI,由于元器件、布線工藝等的差異,干擾幅度和頻率上會(huì)有較大的隨機(jī)性。在定性的理論指導(dǎo)下,采取1~2項(xiàng)或綜合的改進(jìn)措施,統(tǒng)一工藝規(guī)范,反復(fù)實(shí)驗(yàn)總結(jié),都能達(dá)到滿意的結(jié)果。
結(jié)語
我國(guó)對(duì)汽車電器電子設(shè)備電磁兼容性系統(tǒng)研究起步較晚,目前已日益受到重視,這對(duì)提高汽車產(chǎn)品出口競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。電磁兼容性出口的CE或FCC認(rèn)證費(fèi)用十 分昂貴,提高認(rèn)識(shí),及時(shí)調(diào)整好各項(xiàng)參數(shù),可以縮短認(rèn)證周期,降低成本,使我國(guó)出口產(chǎn)品具有優(yōu)秀的EMC品質(zhì),品質(zhì)穩(wěn)步提高。
【推薦閱讀】
電子式互感器面臨電磁兼容性考驗(yàn)
工程師該如何估計(jì)無線傳感器電池供電時(shí)間?
如何用單個(gè)施密特觸發(fā)器測(cè)量?jī)蓚€(gè)電阻式傳感器或多個(gè)開關(guān)?
陶顯芳老師教你如何避免開關(guān)電源變壓器的漏感
開關(guān)電源變壓器屏蔽層抑制共模EMI的研究