汽车电子可靠性设计

电磁物理环境

电磁物理环境是对汽车电子装置最具威胁的工作环境，其主要原因是汽车电系存在着不稳定的电源电压、各种形式的电路瞬变过电压及强辐射的电磁波等，对工态下的汽车电子装置产生干扰。

⑴ 电源电压异常
工态下，汽车足靠蓄电池与发电机并联供电，以标称电压为12V的汽车电系为例，正常电压一般为10~16V，但是电源常出现超过此电压范围的异常电压。•当部分亏电的蓄电池在低温下起动时，其端电压可能降到7V左右。•当发电机调节器发生故障，激磁电流不经过调节器而直接加到激磁绕组上时，可使发电机输出电压上升至18V。若此18V电压对蓄电池充电，可能导致蓄电池电解液沸腾，蓄电池端电压可能上升到70V以上。•汽车在修理过程中，若误将蓄电池极性接反，致使电路承受-12V电压等。

对于上述这些异常电压的出现，要求汽车电子装置不至被损坏，工作的可靠性不至受到严重影响。
•为此一方面要在电路设计上采取相应措施，减少异常电压出现，并限制其电压波动幅度；
•另一方面要提高电子装置耐异常电压能力，并在汽车电子装置装车前应作异常电压试验。

表9-6是美国SAE推荐的异常电压允许值。



电路瞬变过电压

汽车电系内由于存在大量的电感元件，在换路瞬间，这种储能元件所产生的电磁感应现象会在部分电路中出现瞬时高电压。

•这种瞬时电压都具有脉冲性质，且能量较大，可能导致部分电路功能失常，甚至使某些元器件永久性损坏。

-电路瞬变过电压的类型很多，但可规范为发电机抛负载、电感负载断路、激磁衰减及电磁耦合等四种方式，它们对电路形成的电压冲击亦具有式(9-2)所示的逆幂律性质。-表9-7是SAE推荐的汽车电子产品耐这类瞬变过电压的试验条件。



⑶ 电磁干扰（EMI）
-汽车电子装置工态下除受上述异常电压和瞬变电压的干扰之外，还面临看来自车内外的各种电磁波的辐射干扰，它们也在不同程度地影响着电子装置的正常工作。

汽车电磁干扰源分析

现代汽车的车载电子装置越来越多，汽车电系已成为强电与弱电交叉、机械与电子一体化的典型产物，使得来自汽车内、外的电磁噪声对车载电子装置形成电磁干扰。
相对而言，车内的电磁干扰源对车载电子装置工作的可取性影响较大，本节特论述车内几个主要的干扰源形成机理及其特征。
-来自汽车外部的电磁噪声源主要有：雷电、雷达、电台用无线电发射机、高压输电线的电晕放电、荧光灯的辉光放电、探照灯的弧光放电及其它车辆、飞机、舰船发动机点火等，这些噪声源产生的电磁躁声以电磁波的形式对汽车电系形成辐射干扰。-来自汽车内的电磁噪声源主要有：发动机点火、各类开关触点之间的间隙放电、电路瞬变、电磁耦合及静电放电等，这些噪声源所产生的电磁噪声。-一部分在汽车电系内通过导体及器件传播，对车内敏感的电子器件形成传导干扰，另一部分向空间辐射，对车外的电磁环境产生污染。

供电系电磁干扰源
汽车供电系存在着电源异常电压，电路瞬变过电压及开关触点间隙火花放电等电磁干扰源，其中电路瞬变过电压主要发生于发电机抛负载和发电机磁场突然衰减时。

⑴ 发电机抛负载瞬变
-发电机在正常工作时，若负载突然减小或完全无负载，则发电机由于输出电流急剧下降，在发电机电枢绕红上产生正向瞬变过电压，其等效电路如图9-2所示。



图中发电机被等效为一个电感L和电动势E的串联电路，负载则等效为支路电阻R1和R2并联，发电机输出电流RL＝I1+I2。

•设R2为被抛的大负载，即R2<<R1，I2>>I1。
当开关K突然断开时，电路换路引起电流IL产生瞬变.
•在负载Rj上产生的过电压为：



•发电机电枢统组上的感应电流为：



-显然，发电机抛负裁瞬变电压UL，是一个正向指数脉冲电压，其前沿较陡(约50—100us)，后沿按指数规律下降，衰减时间约150—350ms。-抛负载瞬变电压的幅值主要决定于抛负载程度，即R1／R2比值的大小，通常可达75~125V。-最严重的抛负载瞬变发生于发电机满载运行时与蓄电池的连接断开状态下抛负载，此时电枢绕组上产生较大的能量泄放，对R1支路上的电子器件形成较强的冲击，必须设法使其安全泄放。

⑵ 激磁衰减瞬变
-当发电机激磁绕组电路故障开路，或因点火开关断开切断激磁电流回路时，在激磁绕组上将产生磁场衰减瞬变过电压。•此瞬变过电压为一负向指数脉冲，脉冲的幅值取决于换路瞬间的电路及调节器状态。其幅值可达120V左右，前沿约5-10ms，衰减时间约200ms，对调节器中的敏感器件构成威胁。

汽车内部最强的电磁干扰源是点火系。汽车发动机点火时，点火线圈初次级瞬变电压很高，对车载电子装置产生很强的传导干扰。同时，由于火花塞电极放电强烈，对周围的空间形成很强的电磁辐射。

汽车点火系等效电路如图9-3所示。



•I1为触点闭合时点火初级绕组电流触点断开时，I1上升到IP；
•I2是触点断开后点火次级绕组的放电电流，IL为初级绕组剩余磁场形成的电感放电电流；•IC为次级高压回路分布电容形成的电容放电电流；
•触点断开后I2＝IL+IC。在初次级线圈产生高压：



断电器触点打开瞬间，初级绕组感应电压幅值可高达300V以上，前沿约60us，脉宽约300us。此瞬变电压若无有效的抑制措施，势必对初级电路中的电子器件构成威胁，甚至通过信号线对其它系电子装置的正常工作形成传导干扰。

断电器触点打开瞬间，次级绕组感应电压幅值可高达25kv以上，形成足够的点火电压和点火能量，使火花塞电极间隙击穿，产生强烈的火花放电。在高压放电回路中形成陡峭的放电电流I2，此放电电流由IL和IC组成，其中IC数值大时间短，IL数值小而时间长，并伴随有高频振荡。þ火花放电将产生约0.15~1000MHz的宽带电磁波，对车内及车外数十米以内的电子装置的正常工作产生强烈的辐射于扰。

汽车电系内存在着大量的感性负载，如各种电动机、继电器、电磁阀、电喇叭等，其线圈在开路瞬间，都会成为一种宽频谱、大能量的瞬变干扰源。

这种瞬变脉冲不但具有浪涌性质，而且具有丰富的谐波，可能引起电子控制系统的逻辑错误，甚至导致部分敏感器件或固体组件的损坏。



图9-4是模拟感性负载开路瞬变的等效电路及其反向瞬变脉冲电压的波形图。
当继电器触点J打开时，原负载RL上的电流被突然中断，在电感两端产生反向瞬变电压，其峰值可达工态直流电压的几十倍，并向线路的分布电容CP充电，形成RLC串联振荡电路。

汽车电系内分布有大量的触点，它包括开关触点、继电器触点、整流子电机的电刷与整流子间触点等。这些触点都是用来通断电流的，但在其要开未开、或要闭未闭瞬间，都会产生程度不同的火花放电现象。
这种触点间放电能量虽然比火花塞电极放电能量小得多，但其放电瞬间的能量密度通常可达到造成危害的程度。

图9—5是模拟串激式直流电动机开关触点干扰源，这里的触点K指的是电刷与整流子问间隙触点。电动机旋转时，此触点K不断地接通和断开，电机绕组中的电流断续变化，从而产生瞬变电流和电压，此瞬变电压反作用于电源电路，在电源引线电感LP和电容CP上形成陡峭的高频振荡冲击电流和电压，
冲击电压峰值可高达上千伏，衰减振荡，振荡频率约0.1~500MHZ。
初始脉冲的前沿只有几个纳秒。



这种火花放电和高频振荡不但产生辐射干扰，同时可通过电源线对其它电路产生传导干扰。

静电产生的机理是两种不同物质相互摩擦时，会在两物体间引起电子及离子的移动，其结果，使得两物体的表面分别带上正电荷和负电荷，称其为静电。
汽车在行驶时，车轮与地面的摩擦、车身与空气的摩擦、气流与气管壁的摩擦、机架与支承间的摩擦、乘员衣服与座垫间的摩擦、工作服与内衣间的摩擦等，都可能是静电干扰源。
静电电量很小，一般为1mC以下。但静电电压很高，最高可达上万伏。



表9—9为质地不同的工作服与内衣摩擦时人体所带静电电压值。如此高的静电电压必然产生静电放电，静电放电火花及瞬时放电电流将产生电磁辐射和传导于扰。



电磁耦合干扰源

汽车电系内存在着大量的成束包扎的导线及多点搭铁的地回路，较长的无屏蔽配线及搭铁阻抗在汽车电系内产生磁感应耦台和电容耦合。
耦合噪声电压最高幅度可达200V以上，持续时间可达300ms，对部分电子装置工作的可靠性产生干扰。尤其对车载电子仪器和仪表的正常工作影响较大。-平行两根导线，电磁耦台噪声电压：



L－长度，d－中心距离为
M－两导线间的互感
IN－噪声电流，fN－噪声频率

两导线电磁耦台噪声电压为同时由于多点搭铁形成共同的阻抗通道，当一条导线上的电流通过共阻抗通道时，也会在另一条导线上产生共阻抗耦合干扰。