车载GPS监控设备的汽车电源环境的设计分析 - 全文

引言

      随着汽车微电子装备的大量增加，半导体逻辑器件对电磁干扰敏感度相当高，加之汽车线速与有关高场强频段的波长可以比拟，这些频段存在对车载电子系统造成强烈电磁干扰的隐患；车载电磁低电压、大电流负载特性使其开关过程在供电线路上产生很多脉冲干扰，进一步恶化了电磁环境。因而，在实际的汽车电器设计中，电磁兼容设计通常成为设计成败的关键。

　　由于汽车内部的自生骚扰发射干扰源有很多，如刮水器电动机、燃油泵、火花点火线圈、空调起动器、交流发电机线缆连接的间歇切断，以及某些无线电子设备，如手机和车载电台等。这些干扰源是产生种瞬变电脉冲即可能通过电磁骚扰发射对环境中的其它设备造成干扰。所以抑制干扰的源头较为困难。

　　1 汽车上的干扰源

　　汽车电系上的负载多种多样，既有小阻抗、大电流的阻性感性负载，也有小电流、高电压的脉冲发生装置，还有高频振荡信号源，它们不仅对外是潜在的干扰发射源，也是对车载电子产品的干扰源。另外，由于高机动性，汽车也可能会处于各种可以想像得到的从低频到高频的复杂电磁场中，由此产生的电磁干扰耦合也会影响汽车电子电气系统的正常运行。汽车电系内的电压可以归纳为以下几类：正常工作电压、异常稳态电压、无线电干扰电压、瞬变过电压和静电放电。

　　2 汽车电器的电磁兼容

　　设计汽车电器的电磁兼容环境应是一个设备共存、互不干扰的环境，这就要求系统具备良好的emi和ems特性。造成电器功能降级或失效的电磁干扰的发生必须同时具备3个要素：干扰源、干扰耦合通路以及敏感设备。抑制干扰源、阻断耦合以及提高敏感设备的抗扰阈值是解决电磁兼容问题的根本措施。

　　2.1 电磁干扰的传输和传输途径

      电磁干扰的发生必然存在干扰能量的传播和传播通道。干扰的传输有两种基本方式：传导和辐射。辐射耦合细分为：天线对天线耦合、场对线耦合和线对线耦合。针对干扰的传播和耦合途径，在汽车电器工程实践中要采取如下的系统方法来改善emc特性：滤波、屏蔽、搭铁和布线。

　　2.2 干扰源和敏感设备的电磁兼容设计

      在方案已定的功能电路中，检验电磁兼容指标是否满足要求；此时如不满足要求，则可通过参数修改来达到指标，如调整数字化控制器的工作频率、圆整脉冲的上升率或重新选择元件等。其次进行防护设计，包括滤波、屏蔽、搭铁与搭接设计，甚至采用时空隔离和频率回避等改进措施。最后是做布局调整性设计，包括对总体布局的检验、屏蔽体缝隙的检验、组件和印制板布局检验等。电路和分系统的电磁兼容设计包括如下的步骤：元件选择、电路选择、滤波技术应用、搭铁设计、屏蔽设计、电路布局和系统布局规划。

　　3 汽车电子电磁干扰（EMI）及其影响

　　当以点火发动机驱动的汽车在公路上运行之时，汽油发动机的高压点火系统会产生强电磁波，干扰其周围的无线电广播和无线电通讯业务的正常运行，并且对电磁环境造成污染。自此人们将电磁污染列人到汽车造成的三大污染源之一（排放、噪声、电磁）。国际无线电组织开始对这种高能量脉冲形式的干扰源进行研究并提出了测量方法和限制要求。目前，这种电磁污染的控制要求已被列入到世界各国的技术法规中。经过多年的技术规范，市场上运行的汽车基本实现了点火脉冲电磁噪声的有效控制。

　　但随着汽车技术的不断进步和发展，汽车电子电器设备的大量应用，汽车电磁干扰的特点及其产生的影响也有了巨大的变化。汽车产生电磁干扰的源，不单纯是点火系统，大量应用于车辆上的各种电子电器设备也同样产生电磁干扰。

　　车辆产生的电磁干扰不但对车辆外界的无线电设备造成影响，而且也会对车辆内部的各种电子部件造成不良影响。早期人们普遍关心的是车辆电磁干扰对电磁环境的重大影响，随着有效的治理，这种影响已经得到了控制。近些年，汽车出现了许多由于车辆内部电磁干扰对车辆的正常运行及安全性和可靠性等产生重大影响的现象，引起了人们的特别关注。目前，人们开始研究车辆内部电磁干扰的产生和影响及其控制技术。

　　一、汽车内电磁干扰现象

　　汽车产生电磁干扰的源有：高压点火系统；各种感性负载（如电机类电器部件）；各种开关类部件（如闪光继电器）；各种电子控制单元ECU；甚至各种灯具，无线电设备等。这些部件产生的干扰会在汽车内部造成相互影响。下面列举一些实际发生的现象。

　　现象1：某种中高档次轿车，具有高性能ABS系统。样车在一次实况测试中遇到了雨天，启动雨刮器，在某一车速运行时，ABS突然失去了作用。

　　现象2：国内生产的某一型号微型汽车，其发电机调节器经常出现易被击穿损坏现象。经查，当雨刮器工作时，这种损坏现象就容易发生。

　　分析上述两个实例，造成这种现象的主要原因是雨刮器。雨刮器驱动电机作为感性负载，在切断电源时会产生反向电流并通过电源线传输到供电系统中，从而在电源系统中产生干扰脉冲，一些电子部件在这种干扰脉冲条件下，不能正常工作，甚至导致损坏。

　　现象3：一种国内开发生产的安全气囊，在汽车整车装配线上突然引爆。经对该安全气囊的电子引爆控制器进行试验检查，发现其不能承受较强的环境辐射电磁场，当有静电放电发生时，会有误动作。

　　二、汽车内电磁干扰的特点

　　车辆内部的电磁干扰扰特点不同于车辆对外部的干扰。车内电磁干扰可以通过各种连接线缆传播，也会以耦合方式、空间辅 射发射的方式进行传播。典型的形式有：沿电源线传导干扰；人体静电放电对电子部件的干扰；干扰能量通过空间辐射等。下面就一些典型干扰源的特点进行分析。

　　三、发动机点火系统产生沿电源线传导的干扰

　　发动机点火系统的电路框图如图1。传感器获取点火信号Va，由驱动电路在点火线圈初级产生一通断的脉冲电流Ib，线圈次级产生高压脉冲使火花塞放电，点燃发动机燃油混合气作功。当线圈初级回路通断变化过程时，初级绕组会产生瞬变电压，次级绕组产生高电压使火花塞放电，残余能量形成高频电磁波辐射到空间中。初级回路中的瞬变电压则沿电源线传到电源系统中，干扰电源系统，产生一波动电压△V。如图2。一般情况不一，实验测量得到△V为2～4V。

　　汽车中应用的各种电子控制单元，要求有一个稳定的电源电压供电，才能正常工作。当供电系统中出现电压波动（如△V），会对电子模块的正常工作产生影响。

　　四、感性负载产生沿电源线传导的干扰

      汽车内使用的各种类型的电机都属于感性负载。如：雨刮器驱动电机；汽车启动电机；暖风电机等。这类负载特性电路如图3。当感性负载的供电被突然切断时，会产生反向瞬变电压Vc，如图4。线圈初始储能越大，关断速度越快，瞬变过电压就越高。实测结果，一般Va为-100V～300V；is为0.2s～0.5s。

　　这种类型的干扰虽然不具有连续性，但是它的瞬变电压的幅值相当大，偶尔的出现会对电子模块造成严重影响，甚至损坏。前文中介绍的发电机调节器击穿损坏就是因这种反向瞬变电压造成的严重后果。

　　五、静电放电对车内电子部件的干扰

　　人体会产生静电，尤其在我国的北方地区，冬天气候干燥，人体容易产生静电。人体静电遇到一些导体就会释放出来。有直接放电，人们感觉不到。当静电储存到一定程度后，会通过空气放电，甚至会有火花产生，人们就会有强烈的放电感觉。人们在使用汽车时，这种静电放电现象是不可避免地会产生。

　　静电的放电过程，既可能是正放电过程，也可能是负放电过程，其一放电特性如图5。放电电压U最高达1.5 kV～2.5kV；放电时间is，接触放电：0.7 ns～1ns，空气放电：0.7 ns～5ns；放电电流很小，nA级。

　　这种类型的干扰特点是：高电压；短时间；微小电流。其干扰影响程度是巨大的，会使一些电子控制单元产生误动作，严重的会损坏电子单元。如前文描述的安全气囊的电子引爆控制器的误动作。

　　六、部件或线缆间的相互耦合干扰

　　汽车中的各种线缆经常将他们捆绑成一束沿汽车内侧布置，电源线中的瞬变干扰会耦合到信号线或控制线中，形成差模信号，会对车内ECU等电子模块产生影响。这一点常被人们所忽视。

　　七、辐射干扰

　　干扰能量的电磁波辐射形式，人们比较熟悉。人们关注的频率范围是150kHz～1000MHz。其他频段的千扰也是存在的，人们正在进行研究。

　　八、电磁干扰的抑制

　　电磁干扰的抑制措施的选用，首先考虑干扰源，要根据不同的干扰源的特点采取不同的抑制方式。如：点火系统的干扰；电源供电系统的干扰；电感性负载或开关性负载引起的干扰等。其次，考虑干扰的传播途径，这对采取有效地抑制措施非常重要。干扰的途径可以是：通过供电系统的电缆；通过天线或各种导线；通过耦合；通过空间直接辐射电磁波等方式。 此外干扰抑制应充畔虑抑制成本。一般的处理方式，限制干扰源产生的干扰噪声达到规定的合理范围内；同时被干扰体应具有一定的抵抗干扰的能力，以达到相互共存、互不影响的状态。无限制地加大干扰抑制会成倍地增加抑制成本，这在实际应用中是非常不可取的做法。

　　汽车电子电器部件的干扰抑制方式，一般规定若干等级限值，不同部件根据其特点和使用方式的不同，选择一种合理的等级限值，以降低抑制成本。

　　对来自车内供电系统的干扰，一种简单而有效的方法是利用蓄电池作为一个极低阻抗、大容量的瞬变电压抑制器，吸收各种瞬变电压产生的干扰能量。最好的方式是保证蓄电池电缆接线良好。若负极搭铁，应保证搭铁电阻值最小。见图1和图3，应尽可能保证线路阻抗RO达最小值，甚至为零。  对于线缆间耦合引起的干扰、，一种节省成本的方法是在车内布线时充分考虑合理而有效地布置线缆。最好的方式为将ECU控制线或信号线与电源线分开布置，以减小因耦合而引起。的干扰信号侵入。此外，采用屏蔽电缆的方式，也是避免外界电磁干扰侵入控制线和信号线的好方法。  对于电感性负载引起的干扰，抑制方式可以采用并联一个适当数值的电容器，以消除反向过电压。总体讲，干扰抑制措施的方式有很多种，但归纳整理为：屏蔽、滤波、接地、阻尼。

　　4 结语

　　总之，汽车内电磁干扰及其产生的影响是重大的，关系到汽车安全可靠性。人们应该意识到现代电子化汽车中出现的许多新问题，在相当程度上与电磁干扰的影响有关。实际中，采取适当的干扰抑制措施，同时提高汽车电子电器部件的电磁抗扰特性，可以有效地提高汽车运行可靠性。