论文部分内容阅读
[摘 要]全面分析汽车电器电磁干扰，提出有效抑制方法，旨在提高车辆性能，确保行车人身、财产安全。
[关键词]汽车电器；电磁兼容性；电磁干扰抑制
中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-00
随着汽车电子技术的飞速发展，微电脑、开关电源等集成模块的大量引进，以及ABS防抱死制动、发动机燃油点火电子控制、GPS全球定位、ESP电子助力转向、EPS车身稳定及信息娱乐等等电子系统的广泛使用，电磁干扰问题直接关系到行车安全、人身财产安全，不容乎视。下面就汽车电器电磁干扰问题和同行们进行分析、探讨。
一、电磁干扰的来源、传播途径及特性
（一）电磁干扰的来源
汽车电器设备受到的电磁干扰的来源常分为3种：周围高压变电所输电线、大功率无线电发射基站、行驶中相距较近的汽车、雷电、太阳黑子辐射的车外电磁干扰；由于行驶时车体与空气高速摩擦，在车体上形成不均匀分布的静电而产生的车体静电干扰；点火系统产生的车内电磁干扰等高频辐射干扰。电动机电刷换向火花的电磁辐射，起动机电磁开关和各种开关工作时放电干扰等，都是汽车电器设备电磁干扰的来源。
（二）电磁干扰的分类
电磁干扰（EMI）按频段可粗略划分为：0.02～2kHz，谐波干扰；2～300kHz，传导干扰或载频干扰；0.3～300MHz，射频干扰；0.3～300GHz，微波干扰。
从干扰的途径来分，0～300kHz并存着传导干扰和交变电磁场引起的近场感应干扰；射频和微波干扰都是远场的辐射干扰。当设备和导线的长度比波长短时，主要的问题是传导干扰；当它们的尺寸比波长长时，主要的问题是辐射干扰。
（三）三类干扰传播途径
1、传导干扰是通过电路连接的导体传播，共电源线，共搭铁线。由传导干扰的电路原理，根据电子电工学知识可知一个电器电流的变化会影响其它电器电压变化，引起干扰。降低电器间相互干扰，必须减小电源线电阻、搭铁线电阻和支路电流。
2、感应干扰由各类电器、导线的交变电磁场引起。从电场耦合干扰和磁场耦合干扰的原理可知降低感应干扰电压，在于增大导线间距离和减小回路面积来减小两回路间互感，或减低电压变化率。
3、辐射干扰是射频的无线电发射通过导线电缆和金属构件这些等效的天线进行发射干扰，因而线束的辐射干扰是最严重的一种。由描述电磁波的Maxwell方程可知，减小射频电磁场的强度，要减小高频电流I、辐射的有效长度L或增大距离b。
（四）干扰电波具有下述特性：
当从发生源临近的地方移开时先以距离3次方的速率衰减，稍远些时，以距离二次方的速率衰减，最后随距离线性衰减。FCC第15部分规定30～88MHz的极限值为100μV/m。
在80MHz处，相距干扰源50cm的位置，测得辐射强度80μV/m，应为合格，当距离减小为30cm时，其辐射强度变为800μV/m，是极限值100μV/m的8倍，高出18.1dB。
二、提高电磁兼容性能的措施即抑制办法
电磁兼容性（EMC）是指电器电子产品能在电磁环境中正常工作，并不对该环境中其它产品产生过量的电磁干扰（EMI）。这就包含着2方面要求，其一是要求产品对外界的电磁干扰有一定的承受能力；其二是要求产品在正常运转过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。
（一）降低电器的电磁干扰强度：
①要降低发电机纹波电流。交流发电机是大的功率源，减小高次谐波分量可以大幅度降低传导和辐射干扰，对电器而言输入电流谐波属于电磁干扰；
②应在闪光器触点前加电弧抑制器；
③感性负载（如刮水电动机、燃油泵、起动机）有电刷换向器，需要滤波电容器旁路换向火花所产生的高频辐射。电容要达到良好的滤波效果，它与噪声源的公共搭铁之间的连线要尽量短。自由空间中的导线电感每毫米约为0.04nH。如果电刷产生的噪声频率为50～100MHz，当电容连接的导线长度为100～150mm时，导线不计线间电容，则感抗XL=2πfL=3.77Ω；而0.1μF电容的容抗XC=1/（2πfC）=0.159Ω。若导线长度缩短为25mm，感抗仅为0.628Ω，滤波电容效果提高80%。滤波器件应直接由噪声源搭铁，使回路阻抗最小，有最佳滤波效果。必须注意，有交流分量的输入端安装电容一定要慎重，解决电磁兼容性问题的同时，不能引起过大的漏电流，超出安全规范的规定。
（二）最常规的提高电磁兼容性的有效措施。
1、滤波滤除电磁干扰
在电刷上连接一个10～25μH的电感，吸收电刷通过换向器间隙时流经电刷电流突变的能量，串联在电路中的扼流圈和对搭铁的旁路电容组合成低通滤波器，也能抑制传导干扰。LC滤波器比单个电容有更宽的滤波带宽，而干扰波形尖峰产生的辐射干扰的抑制通过屏蔽来实现。
2、合理布设搭铁线屏蔽电磁干扰
同一设计的汽车电机电器产生的干扰，由于工艺等的差异在幅度和频率上有很大的随机性。有一个良好的搭铁线，甚至将产生干扰的电器装置限制在一块公共搭铁板上，就近接到车体或线束的屏蔽层搭铁，才能保证滤波、屏蔽最有效。低频电路的搭铁，应尽量采用单点并联搭铁；高频电路宜多点串联搭铁，搭铁线短而粗，更有效抑制长搭铁走线产生的共模干扰。输入输出元件尽量隔远些，高頻元件间要防止分布参数造成相互干扰。
3、合理布线、科学布置电路降低干扰
合理布线，合理规划线束，使大功率干扰电路应尽可能紧靠负载，小功率敏感电路紧靠信号源，尽量分开大功率电路和小功率电路，减小线束间感应干扰和辐射干扰。经过滤波的电源线要尽量远离各种信号线，以防高频信号耦合到电源线，造成传导发射超标。对较长的线束应在线束上增加滤波器，常用的方法是套上铁氧体磁环，降低传导和辐射干扰。用于抑制电磁干扰的磁环不同于一般用做电感的铁氧体，它的品质因素Q值甚低，损耗较大。
（三）阻尼法来抑制辐射。
发动机火花塞的中心电极对壳体通过绝缘介质构成电容，中心电极本身又具有电感，这样就形成一个LC振荡回路，火花塞的导线起着天线作用，以电磁波形式向空间发射，电刷与换向器、滑环间的火花，喇叭、灯开关，机械式调节器、传感器的触点开关，由于各自回路LC的差异，射频干扰频率范围在0.15～1000MHz之间。点火装置就是采用在高压电路串入阻尼电阻有效削弱电火花产生的高频振荡，但过大的阻值会影响火花塞电极的能量，故一般不超过20kΩ。常采用直径1mm的NiCrAl丝绕成，LCR并存，有良好的阻尼振荡辐射作用。
三、结束语
我国对汽车电器电子设备电磁兼容性系统研究起步较晚，当今汽车设计中都有一个高度集成的微控制器MCU，它用来完成大量的计算并实现有关车辆运行的控制，包括发动机管理和制动控制。可以说汽车电器电磁兼容性好坏，直接影响着汽车整车质量，行车人身、财产安全，合理设计汽车电器，科学抑制电器电磁干扰，尤重要。
[关键词]汽车电器；电磁兼容性；电磁干扰抑制
中图分类号：U469.72文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0000-00
随着汽车电子技术的飞速发展，微电脑、开关电源等集成模块的大量引进，以及ABS防抱死制动、发动机燃油点火电子控制、GPS全球定位、ESP电子助力转向、EPS车身稳定及信息娱乐等等电子系统的广泛使用，电磁干扰问题直接关系到行车安全、人身财产安全，不容乎视。下面就汽车电器电磁干扰问题和同行们进行分析、探讨。
一、电磁干扰的来源、传播途径及特性
（一）电磁干扰的来源
汽车电器设备受到的电磁干扰的来源常分为3种：周围高压变电所输电线、大功率无线电发射基站、行驶中相距较近的汽车、雷电、太阳黑子辐射的车外电磁干扰；由于行驶时车体与空气高速摩擦，在车体上形成不均匀分布的静电而产生的车体静电干扰；点火系统产生的车内电磁干扰等高频辐射干扰。电动机电刷换向火花的电磁辐射，起动机电磁开关和各种开关工作时放电干扰等，都是汽车电器设备电磁干扰的来源。
（二）电磁干扰的分类
电磁干扰（EMI）按频段可粗略划分为：0.02～2kHz，谐波干扰；2～300kHz，传导干扰或载频干扰；0.3～300MHz，射频干扰；0.3～300GHz，微波干扰。
从干扰的途径来分，0～300kHz并存着传导干扰和交变电磁场引起的近场感应干扰；射频和微波干扰都是远场的辐射干扰。当设备和导线的长度比波长短时，主要的问题是传导干扰；当它们的尺寸比波长长时，主要的问题是辐射干扰。
（三）三类干扰传播途径
1、传导干扰是通过电路连接的导体传播，共电源线，共搭铁线。由传导干扰的电路原理，根据电子电工学知识可知一个电器电流的变化会影响其它电器电压变化，引起干扰。降低电器间相互干扰，必须减小电源线电阻、搭铁线电阻和支路电流。
2、感应干扰由各类电器、导线的交变电磁场引起。从电场耦合干扰和磁场耦合干扰的原理可知降低感应干扰电压，在于增大导线间距离和减小回路面积来减小两回路间互感，或减低电压变化率。
3、辐射干扰是射频的无线电发射通过导线电缆和金属构件这些等效的天线进行发射干扰，因而线束的辐射干扰是最严重的一种。由描述电磁波的Maxwell方程可知，减小射频电磁场的强度，要减小高频电流I、辐射的有效长度L或增大距离b。
（四）干扰电波具有下述特性：
当从发生源临近的地方移开时先以距离3次方的速率衰减，稍远些时，以距离二次方的速率衰减，最后随距离线性衰减。FCC第15部分规定30～88MHz的极限值为100μV/m。
在80MHz处，相距干扰源50cm的位置，测得辐射强度80μV/m，应为合格，当距离减小为30cm时，其辐射强度变为800μV/m，是极限值100μV/m的8倍，高出18.1dB。
二、提高电磁兼容性能的措施即抑制办法
电磁兼容性（EMC）是指电器电子产品能在电磁环境中正常工作，并不对该环境中其它产品产生过量的电磁干扰（EMI）。这就包含着2方面要求，其一是要求产品对外界的电磁干扰有一定的承受能力；其二是要求产品在正常运转过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度。
（一）降低电器的电磁干扰强度：
①要降低发电机纹波电流。交流发电机是大的功率源，减小高次谐波分量可以大幅度降低传导和辐射干扰，对电器而言输入电流谐波属于电磁干扰；
②应在闪光器触点前加电弧抑制器；
③感性负载（如刮水电动机、燃油泵、起动机）有电刷换向器，需要滤波电容器旁路换向火花所产生的高频辐射。电容要达到良好的滤波效果，它与噪声源的公共搭铁之间的连线要尽量短。自由空间中的导线电感每毫米约为0.04nH。如果电刷产生的噪声频率为50～100MHz，当电容连接的导线长度为100～150mm时，导线不计线间电容，则感抗XL=2πfL=3.77Ω；而0.1μF电容的容抗XC=1/（2πfC）=0.159Ω。若导线长度缩短为25mm，感抗仅为0.628Ω，滤波电容效果提高80%。滤波器件应直接由噪声源搭铁，使回路阻抗最小，有最佳滤波效果。必须注意，有交流分量的输入端安装电容一定要慎重，解决电磁兼容性问题的同时，不能引起过大的漏电流，超出安全规范的规定。
（二）最常规的提高电磁兼容性的有效措施。
1、滤波滤除电磁干扰
在电刷上连接一个10～25μH的电感，吸收电刷通过换向器间隙时流经电刷电流突变的能量，串联在电路中的扼流圈和对搭铁的旁路电容组合成低通滤波器，也能抑制传导干扰。LC滤波器比单个电容有更宽的滤波带宽，而干扰波形尖峰产生的辐射干扰的抑制通过屏蔽来实现。
2、合理布设搭铁线屏蔽电磁干扰
同一设计的汽车电机电器产生的干扰，由于工艺等的差异在幅度和频率上有很大的随机性。有一个良好的搭铁线，甚至将产生干扰的电器装置限制在一块公共搭铁板上，就近接到车体或线束的屏蔽层搭铁，才能保证滤波、屏蔽最有效。低频电路的搭铁，应尽量采用单点并联搭铁；高频电路宜多点串联搭铁，搭铁线短而粗，更有效抑制长搭铁走线产生的共模干扰。输入输出元件尽量隔远些，高頻元件间要防止分布参数造成相互干扰。
3、合理布线、科学布置电路降低干扰
合理布线，合理规划线束，使大功率干扰电路应尽可能紧靠负载，小功率敏感电路紧靠信号源，尽量分开大功率电路和小功率电路，减小线束间感应干扰和辐射干扰。经过滤波的电源线要尽量远离各种信号线，以防高频信号耦合到电源线，造成传导发射超标。对较长的线束应在线束上增加滤波器，常用的方法是套上铁氧体磁环，降低传导和辐射干扰。用于抑制电磁干扰的磁环不同于一般用做电感的铁氧体，它的品质因素Q值甚低，损耗较大。
（三）阻尼法来抑制辐射。
发动机火花塞的中心电极对壳体通过绝缘介质构成电容，中心电极本身又具有电感，这样就形成一个LC振荡回路，火花塞的导线起着天线作用，以电磁波形式向空间发射，电刷与换向器、滑环间的火花，喇叭、灯开关，机械式调节器、传感器的触点开关，由于各自回路LC的差异，射频干扰频率范围在0.15～1000MHz之间。点火装置就是采用在高压电路串入阻尼电阻有效削弱电火花产生的高频振荡，但过大的阻值会影响火花塞电极的能量，故一般不超过20kΩ。常采用直径1mm的NiCrAl丝绕成，LCR并存，有良好的阻尼振荡辐射作用。
三、结束语
我国对汽车电器电子设备电磁兼容性系统研究起步较晚，当今汽车设计中都有一个高度集成的微控制器MCU，它用来完成大量的计算并实现有关车辆运行的控制，包括发动机管理和制动控制。可以说汽车电器电磁兼容性好坏，直接影响着汽车整车质量，行车人身、财产安全，合理设计汽车电器，科学抑制电器电磁干扰，尤重要。