汽車電器電磁兼容性及電磁干擾的抑制
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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(wèn)題的同時(shí)，不能引起過(guò)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(guò)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(guò)屏蔽來(lái)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(guò)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(lái)抑制輻射。發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞的中心電極對(duì)殼體通過(guò)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(guò)大的阻值會(huì)影響火花塞電極的能量，故一般不超過(guò)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(lái)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。
四、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(wú)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。
五、結(jié)語(yǔ)
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。(end)
評(píng)論