【導(dǎo) 讀】電磁兼容性包含著2方面要求，其一是要求產(chǎn)品對外界的電磁干擾有一定的承受能力；其二是要求產(chǎn)品在正常運轉(zhuǎn)過程中，該產(chǎn)品對周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不 能超過一定的限度。汽車電器的電磁兼容性就是指在汽車及其周圍空間中，在運行時間內(nèi)，在可用的頻譜資源條件下，汽車本身以及周圍的用電設(shè)備可以共存，不致 引起降級。
ABS防抱死制動系統(tǒng)，發(fā)動機燃油點火電子控制系統(tǒng)，GPS全球定位系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常可靠工作都必須重視對電磁兼容技術(shù)的設(shè)計和研究，可以從傳統(tǒng)的汽 車電器（諸如起動機、刮水電動機、閃光器、空調(diào)啟動器、燃油泵等）入手進行探討，交流發(fā)電機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。現(xiàn)在，交流發(fā)電機的調(diào)節(jié)器與電子點火系統(tǒng)一樣，已經(jīng)設(shè)計成集成模塊化結(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
（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；點火系統(tǒng)產(chǎn)生的車內(nèi)電磁干擾等高頻輻射干擾。電動機電刷換向火花的電 磁輻射，起動機電磁開關(guān)和各種開關(guān)工作時放電干擾等，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)干擾和交變電磁場引起的近場感應(yīng)干擾；射頻和微波干擾都是遠(yuǎn)場的輻射干擾。當(dāng)設(shè)備和導(dǎo)線的長度比波長短時，主要的問題是傳導(dǎo)干擾；當(dāng)它們的尺寸比波長長時，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。
可見一個電器電流的變化會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)線的交變電磁場引起，下面從電場耦合干擾和磁場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，減小射頻電磁場的強度，要減小高頻電流I、輻射的有效長度L或增大距離b。
（四）電磁干擾的檢測
汽車電路系統(tǒng)由蓄電池和整流的交流發(fā)電機作為核心電源，車體作為共用搭鐵，各個電器裝置并聯(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)線間會有感應(yīng)干擾；因為天線效應(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)用頻譜分析儀進行電磁兼容性分析研究，檢測電磁干擾直觀且可以定量。它是一種30～1000MHz窄帶掃頻接收機，能在某一時刻接收某個頻率范圍內(nèi)的能 量，記錄下不同頻段內(nèi)干擾的幅值。缺點是對于時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際干擾情況。常常只能數(shù)臺同時 啟用進行觀測分析。
汽車電器電磁兼容性
面對的3項技術(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年代已受到各國關(guān)注，至20世紀(jì)90年代美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC） 和歐盟CE先后提出對該類產(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）電磁兼容性要面對的問題
汽車電器電磁兼容性需要面對的3個技術(shù)問題是：
①探討電器產(chǎn)生的電磁輻射（EME）并控制為最??；
②電源電壓的瞬變，車燈、起動機等重負(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)對自身性能降低的無作為能力。當(dāng)敏感性低時，抗擾性則強，足以防護電器電子產(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度：①要降低發(fā)電機紋波電流。交流發(fā)電機是大的功率源，減小高次諧波分量可以大幅度降低傳導(dǎo)和輻射干擾，對電器而言輸入電流諧波屬于 EMI；②應(yīng)在閃光器觸點前加電弧抑制器；③感性負(fù)載（如刮水電動機、燃油泵、起動機）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)線長度為100～150mm時，導(dǎo)線不計線間 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，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10～25μH的電感，吸收電刷通過換向器間隙時流經(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現(xiàn)。
同一設(shè)計的汽車電機電器產(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性。有一個良好的搭鐵線，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)盡量采用單點并聯(lián)搭鐵；高頻電路宜多點串聯(lián)搭鐵，搭鐵線短而粗，更有 效抑制長搭鐵走線產(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)離各種信號線，以防高頻信號耦合到電源線，造成傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。對較長的線束應(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)動機火花塞的中心電極對殼體通過絕緣介質(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)，機械式調(diào)節(jié)器、傳感器的觸點開關(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先以距離3次方的速率衰減，稍遠(yuǎn)些時，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，測得輻射強度80μV/m，應(yīng)為合格，當(dāng)距離減小為30cm時，其輻射強度變?yōu)?00μV/m，是極限值 100μV/m的8倍，高出18.1dB。“保護距離”的概念，是指在某種條件下使用電器設(shè)備，仍可能會產(chǎn)生干擾。當(dāng)今汽車設(shè)計中都有一個高度集成的微控 制器MCU，它用來完成大量的計算并實現(xiàn)有關(guān)車輛運行的控制，包括發(fā)動機管理和制動控制。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 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研究
電磁兼容性的仿真計算僅能對電器的電磁性能進行初步粗略的估算，最終改善汽車電器的電磁兼容性須待試驗進行驗證。下面對2種汽車電器產(chǎn)品采用綜合改進措施前后的干擾波形圖進行對比。
刮水電動機是直流永磁蝸輪減速電動機，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，是一個大的干擾源。改善刮水電動機的EMI性能需要改進傳統(tǒng)的換向結(jié)構(gòu)，并在刷握近處加濾波處理。圖4是改進前后的干擾波形圖。
用無刷直流電動機做刮水電動機，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。
作為信號裝置的閃光器是典型觸點繼電器式的器件，觸點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的閃光器改進前后干擾波形。
同一設(shè)計的汽車電機電器產(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有較大的隨機性。在定性的理論指導(dǎo)下，采取1～2項或綜合的改進措施，統(tǒng)一工藝規(guī)范，反復(fù)實驗總結(jié)，都能達(dá)到滿意的結(jié)果。
結(jié)語
我國對汽車電器電子設(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，這對提高汽車產(chǎn)品出口競爭力至關(guān)重要。電磁兼容性出口的CE或FCC認(rèn)證費用十 分昂貴，提高認(rèn)識，及時調(diào)整好各項參數(shù)，可以縮短認(rèn)證周期，降低成本，使我國出口產(chǎn)品具有優(yōu)秀的EMC品質(zhì)，品質(zhì)穩(wěn)步提高。
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