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东风汽车 | 汽车电子控制器EMC设计方法概述
2021-11-17 14:24:36· 来源：电动学堂 作者：储祖江等
文章来源：东风汽车公司技术中心引言汽车电控技术快速发展，单车搭载的电子设备数量快速增加，并且功能越来越复杂。由此导致的电磁兼容问题日益突出，使得电磁兼
文章来源：东风汽车公司技术中心
引言
汽车电控技术快速发展，单车搭载的电子设备数量快速增加，并且功能越来越复杂。由此导致的电磁兼容问题日益突出，使得电磁兼容设计成为电控开发过程中的重点和难点。本文旨在简要概述汽车电控系统电磁兼容设计的实施方向和方法，希望能给设计人员提供电磁兼容问题的解决思路。
1汽车电子电磁兼容技术的重要性
随着汽车电动化、智能网联化的快速发展，每台汽车上搭载的电子设备数量逐步增加，消耗功率逐步增大，电子电路工作频率逐步提高，电子信号逐步复杂，使得汽车工作环境中充斥着各种频段的电磁波，导致电磁干扰问题日益突出，轻则影响电控系统正常工作，重则损毁相应的电子元器件。
因此，汽车电控系统都会涉及到汽车电磁兼容这个共性问题。汽车电磁兼容技术关系到汽车娱乐电子系统及其周围电子系统运行的可靠性，更是关系到电子控制功能运行的安全可靠性。例如车载导航系统、车载影音娱乐系统，以及电子控制制动系统、电子控制传动系统、电子控制转向系统。
汽车电磁兼容对于现代以及未来的汽车而言至关重要，它关系到汽车的安全性、汽车排放控制的有效性、汽车节能的有效性、汽车智能控制的可靠性等。所以，汽车电控系统的电磁兼容性能越来越受重视，目前急需要求能广泛应用针对汽车电控系统的电磁兼容改进技术。
2汽车的电磁兼容性的相关概念
汽车电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility ,EMC)是指车辆、零部件或独立技术单元在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法接受的电磁干扰的能力。
简单来说，EMC包括了电磁干扰(Electro Magnetic Interference ，EMI)和电磁敏感性(Electro Magnetic Susceptibility , EMS)。EMI是指电控设备在运行过程中对所在环境产生的电磁干扰；EMS是指电控设备对所在环境中存在的电磁干扰所具有的抗干扰能力。EMI是主动性的，即对外界产生的干扰，EMS是被动性的，即抵抗外界的干扰。所以对电控设备的EMC要求就是：减少对外界的干扰，同时自身能抵抗一定程度的外界干扰。
电磁干扰包括干扰源、干扰源的耦合路径和干扰敏感设备三个部分。
2.1干扰源
这是噪声和干扰产生的源头。产生的原因包括大电流电路的开关噪声（高di／dt)、快速信号、快速上升沿、谐振、天线，错误的终端，反射和电势差。
干扰源有多种多样，总的来说可以分为内部干扰源和外部干扰源两大类。
2.1.1内部干扰源
最主要的内部干扰源是电控系统的微控制器电路、晶振电路、数字集成电路、开关稳压器、信号传送器。
2.1.2外部干扰源
外部干扰源是汽车处于各种外部电磁环境时所受的干扰。这类干扰存在于特定的空间或是特定的时间。如雷电、宇宙射线等；来自雷达、手机信号塔发射的高频干扰；
2.2耦合路径
干扰从干扰源传递到敏感设备的途径或媒介。这种耦合有两种方式：辐射和传导。
2.2.1辐射耦合路径
辐射耦合是指电磁噪声的能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到干扰敏感设备。根据电磁噪声的频率、电磁干扰源与干扰敏感设备的距离，辐射耦合可分为远场耦合和近场耦合。
2.2.2传导耦合路径
传导耦合是指电磁噪声的能量以电压或电流的形式，通过金属导线或其他元器件（如电感器、电容器、变压器等）耦合至干扰敏感设备。根据电磁噪声耦合特点，传导耦合可分为直接耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合。
直接传导耦合是指噪声直接通过导线、电阻器、电容器、电感器或变压器等实际或寄生元件耦合到干扰敏感设备。
公共阻抗传导耦合是指噪声通过印刷电路和壳体接地线等产生公共地阻抗耦合；噪声通过交流供电电源及直流供电电源的公共电源阻抗时，产生公共电源阻抗耦合。
转移阻抗传导耦合是指干扰源发出的噪声，不是直接传送至干扰敏感设备，而是通过转移阻抗将噪声电流或电压转变为干扰敏感设备的干扰电压或电流。
一般情况，小于30MHz的信号主要通过传导耦合，超过30MHz的信号，噪声会越来越多通过辐射方式耦合。
2.3干扰敏感设备
电路受到来自＂源”的干扰的影响。这种干扰会导致在信号上增加一些难以察觉的噪声。但这种干扰也会对信号或整个系统的功能产生一些重大影响。
汽车上各种电子模块如车身控制器、电机控制器、信号线缆等都是干扰敏感设备。
3汽车电子电磁兼容标准
汽车电磁兼容标准分为国际标准、地区标准、国家标准和企业标准。
现在国际上制定汽车的电磁兼容方面的标准化组织有国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、国际电工委员会无线电干扰特别委员会(CISPR)。
地区标准主要是欧洲ECE法规和EEC指令。国家性标准协会有美国国家标准协会(ANSI)、美国联邦通讯委员会(FCC)、美国汽车工程协会(SAE)、德国邮电部(ITZ)、德国电气工程师协会(VOE)、英国标准协会(BSI)、日本民间干扰控制委员会(VCCI)，上述标准协会的作用是与国际标准协调，并且制定各国家自己的标准。
国际上各大型汽车公司都有自己的企业电磁兼容标准，如美国福特公司、通用公司，德国大众、宝马、梅赛德斯－奔驰公司，法国的标致－雪铁龙公司等，其企业标准比国际上通用的标准要严格很多，例如通常国际标准对于汽车抗扰度的要求通常为24V/m,而一些汽车公司则规定为100~200V/m。
我国吸收了发达工业国家的经验，根据国外标准制订了汽车电磁兼容性标准，并使之逐步升级、不断完善。
表2为各个整车厂汽车电子需要满足的标准。
以上标准可以分为两类，一类是设备对外的无线电骚扰。另一类是外部对我们设备的干扰，要求我们的设备具有一定的抗干扰特性。这两方面都必须顺利通过测试，并且满足整车厂家的要求。
4汽车电子电磁兼容设计方法
那么如何提高汽车电子产品的自身抗扰度以及降低自身对外的电磁发射，满足各类整车制造厂家的要求？
电磁兼容性设计主要从以下三个方面入手：
1)抑制干扰源。
2)切断或减弱干扰的耦合路径。
3)提高电子模块的抗干扰能力。
其中抑制干扰源是最直接也是最有效解决电磁干扰的方法，设计时应分析干扰产生的机理，采取必要措施加以抑制或消除，当采取措施后仍达不到目标时，再从切断或减弱干扰的耦合路径着手解决。
通常，电磁兼容性设计的基本方法有如下几种：
4.1屏蔽
根据屏蔽目的的不同，屏蔽体可分为静电屏蔽体、磁屏蔽体和电磁屏蔽体三种。
1)静电屏蔽体：由逆磁材料制成，并和地连接。静电屏蔽体的作用是使电场终止在屏蔽体的金属表面上，并把电荷转送入地。
2)磁屏蔽体：由磁导率很高的强磁材料制成，可把磁力线限制于屏蔽体内。
3))电磁屏蔽体：主要用来遏止高频电磁场的影响，使干扰场在屏蔽体内形成涡流并在屏蔽体与被保护空间的分界面上产生反射，从而大大削弱干扰场在被保护空间的场强值，达到了屏蔽效果。有时为了增强屏蔽效果，还可采用多层屏蔽体，其外层一般采用电导率高的材料，以加大反射作用，而其内层则采用磁导率高的材料，以加大涡流效应，如图1所示。
4.2滤波
滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。无论是抑制干扰源，消除干扰耦合路径，还是提高电控系统的抗干扰能力，都可以采用滤波电路。
滤波器按通过信号的频段分低通、高通、带通、带阻等四种类型，如图2所示。
1)低通滤波器：允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。
2)高通滤波器：允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。
3))带通滤波器：允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
4))带阻滤波器：抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。
按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。
1)无源滤波器：仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。
2)有源滤波器：由无源元件（一般用R和C)和有源器件（如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。
4.3接地
接地是指将电路、壳体等与参考地连接，目的是提供一个等电位点或面。地线的作用是为电路或系统提供基准等电位点或面，抑制电磁骚扰，为电流回路提供一条低阻抗路径，如图3所示。
理想的接地平面是零电位、零阻抗的导体。由于接地材料的物理性能，决定了没有这样理想的接地平面。所以，系统中两个接地点之间总是存在一定电位差。接地系统中电位差能否达到最小，决定了该接地系统的效率。
4.4合理的PCB布局布线
PCB的布局布线，会直接影响电子系统的电磁兼容性。PCB layout时，要选择合理的布线宽度、采用正确的布线策略、合理规划PCB的尺寸与元器件的布局。一般来说，远场辐射与PCB布局布线关系不大，而近场感应的大小与PCB布局布线有着直接的关系。
近场感应的电感性耦合，其互感随着导线间距的加大和靠近接地平面而减小，故应最大可能地使电路隔开，正确布设导线的方向，限制电流的频率和上升时间，利用屏蔽和接地等方法来减小电感性耦合的影响。
近场感应的电容性耦合，其减小电容性的方法与电感性耦合相同，在实际应用上应使所有导线尽量接近地平面。
4.5搭接
搭接是在两金属表面间建立低阻抗通道，目的是为电流的流动安排一个均匀的结构面，以避免在相互连接的两金属间形成电位差，因为这种电位差会产生电磁干扰。
搭接通道可以建立在系统接地面的两点之间，也可以建立在接地基准与组件、电路或结构单元之间。
4.6隔离
隔离的目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到降低电磁干扰。
电路隔离主要有模拟电路的隔离、数字电路的隔离、模拟和数字电路之间的隔离。
常用隔离方法有变压器隔离、光电隔离、放大器隔离、空间隔离等。变压器隔离是通过隔离变压器使电子设备与汽车供电系统隔离，再通过稳压电路进一步抑制干扰；光电隔离是使控制电路与被控电路的地线分开，通过光电耦合器进行光电转换对负载进行控制；放大器隔离是利用隔离放大器，使输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。空间隔离是使干扰源尽量远离易扰元器件，从空间上实现抑制干扰。
4.7热设计
电子系统或元器件在高温时其抗干扰性能会降低，所以对电子系统或元器件的安装布局位置、散热进行合理设计，也是提高电子系统抗干扰能力的有效措施。
从有利于散热的角度考虑，大功率器件要有散热处理。同一块PCB上的元器件应尽可能按发热量的大小及散热程度分区摆放，发热量小或耐热性差的元器件放在PCB中间位置，发热量大或耐热性好的器件放在PCB边缘靠近金属壳体位置。
4.8抗干扰软件设计
硬件抗干扰设计是电子系统电磁兼容设计时的首选措施，能有效抑制干扰源，阻断干扰传输路径。由于干扰信号产生的原因很复杂，且具有很大的随机性，在电子系统电磁兼容设计中采取抗干扰软件设计加以补充，作为硬件抗干扰措施的辅助手段，软件抗干扰设计有简单、灵活方便、占用硬件资源少、投入成本低等优点。
常用的软件抗干扰技术有数字滤波、软件陷阱、指令冗余、重复输出等。
5设计实例
某车载量产控制器壳体采用铝制材料，PCB采用4层板设计，如图4所示，板内从上到下依次为信号层－地层－电源层－信号层。
最初进行的开发验证实验中，无线电频率传导噪音的测量实验测得平均值在80~108MHz,超出3dB,如图5所示：
通过探测工具扫描整个控制器PCB区域，发现电源芯片处辐射噪声最强，重点检查电源芯片电路和PCB设计。
由于电源芯片集成两级DC-DC模块，其中蓄电池电压转换为第一级电压的开关频率f1=440KHz,再转换为第二级电压的开关频率f2=2.4MHz。初步判断干扰信号是通过这两个DC-DC模块产生。
通过分析以上实验数据，发现出现的噪声峰值之间的频率差基本都是2.4MHz的整分数之一。进一步增强判断的合理性。
采取以下改进措施:
l)在PCB的地层分割出两个不同的地平面，高暂态电流回路（两个DC-DC模块）中涉及的功率元件接功率地PGND,其他元件接GND。PGND和GND的连接点尽可能远离PGND地平面。
2)尽可能减小两个DC-DC回路的电流环，把涉及高暂态电流回路的功率级元件尽可能靠近电源芯片。避免将任何功率元件靠近其他需要驱动小电流的元件，因为这种元件很容易受到开关噪声的干扰。
3))如果大电流回路需要穿过PCB,使用多过孔限制寄生电阻和电感。
4))避免在DC-DC功率元件投影下方连接GND的地平面和走线。
5)避免在DC-DC功率元件投影下方进行小信号走线。
6)将高阻抗信号的元件靠近设备引脚连接，以避免噪声的注入。
经过重新设计、制版、调试，最终通过全部电磁兼容实验项目。
6结论
在项目早期就要规划电磁兼容设计。考虑越早，问题越简单，解决问题所需要的成本越低。电磁兼容问题产生的原因很多，只要找到问题的关键点，合理分析，采取有效措施，电磁兼容问题就会迎刃而解。
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