李懷友

摘 要：本文研究了某型汽車電動尾門控制器可能的電磁干擾源與針對EMI（電磁干擾）測試的設(shè)計方案，分析CE（傳導(dǎo)發(fā)射）與RE（輻射發(fā)射）測試過程中出現(xiàn)測試超標(biāo)頻段與導(dǎo)致測試超標(biāo)的原因，并提出了針對此次測試失效的控制器設(shè)計優(yōu)化整改方案。對設(shè)計優(yōu)化后的控制器樣件再次進(jìn)行EMI測試，測試結(jié)果表明，設(shè)計優(yōu)化后的樣件完全滿足整車廠對電動尾門控制器CE測試與RE測試在各頻段的限值要求。

關(guān)鍵詞：電磁兼容性EMC;電磁干擾EMI;傳導(dǎo)發(fā)射CE;輻射發(fā)射RE

1 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步以及人們對汽車追求的不斷提高，汽車上為了增加汽車的控制便利性與舒適性的電子設(shè)備越來越多，使得車內(nèi)外的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。在這復(fù)雜的電磁環(huán)境中如何減少電子設(shè)備相互間的電磁騷擾，如何使各電子設(shè)備安全可靠地工作成為了一項(xiàng)重要研究課題，于是一門新興的綜合性學(xué)科誕生了——EMC（電磁兼容性）。

電磁兼容主要研究的是如何使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電氣電子設(shè)備和元器件都能正常工作，互不干擾，達(dá)到兼容狀態(tài)。以保證電子設(shè)備不受電磁騷擾的影響而出現(xiàn)故障或性能降級。如何在設(shè)備與電磁環(huán)境之間尋求一種協(xié)調(diào)的關(guān)系和共存的條件，這就是電磁兼容性技術(shù)。它包括兩個方面的內(nèi)容：1）EMI，指電子設(shè)備本身對其它電子設(shè)備的干擾;2）EMS，指電子設(shè)備自身抗外界電磁干擾的能力。干擾源、耦合通道與敏感設(shè)備是EMC的三要素，要提高汽車電子產(chǎn)品的EMC性能就需要從這三個方面入手。

本文基于標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204規(guī)定的測試方法與限制要求，研究某型汽車電動尾門控制器的EMI（電磁干擾）測試設(shè)計方案，分析CE（傳導(dǎo)發(fā)射）與RE（輻射發(fā)射）測試過程中出現(xiàn)測試超標(biāo)頻段與導(dǎo)致測試超標(biāo)的原因，并提出了針對此次測試失效的控制器設(shè)計優(yōu)化整改方案，并對整改結(jié)果進(jìn)行測試驗(yàn)證。

2 汽車電動尾門控制器硬件原理與可能干擾源分析

汽車電動尾門控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行控制汽車尾門的電動開啟與關(guān)閉動作，其所帶負(fù)載有四個：1）撐桿電機(jī)，尾門開啟與關(guān)閉動作的執(zhí)行部件，其運(yùn)行過程中可以調(diào)速，控制器輸出PWM驅(qū)動波形對其進(jìn)行控制;2）卷緊條電機(jī)，尾門執(zhí)行關(guān)閉動作時負(fù)責(zé)通過卷緊條把尾門拉到位關(guān)嚴(yán)然后再釋放卷緊條，其運(yùn)行過程中不需要調(diào)速，控制器輸出12V的直流波形對其進(jìn)行控制;3）尾門鎖塊，尾門解鎖與上鎖的執(zhí)行部件，上鎖時控制器輸出12V的高電平對其進(jìn)行控制;4）告警蜂鳴器，尾門執(zhí)行開啟與關(guān)閉動作過程中鳴笛告警，其工作時控制器輸出固定頻率固定占空比的PWM波形對其進(jìn)行驅(qū)動。尾門控制器硬件電路可以分為以下幾個部分：1）電源進(jìn)線及濾波電路;2）LDO5V與CAN接口電路;3）MCU及其外圍電路;4）數(shù)字開關(guān)量與模擬信號采集電路;5）撐桿電機(jī)、卷緊電機(jī)與鎖塊驅(qū)動電路;6）蜂鳴器驅(qū)動電路。

縱觀控制器的整個原理圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在芯片及關(guān)鍵元器件的選型上我們都嚴(yán)格遵守EMC設(shè)計準(zhǔn)則，例如有源芯片的選型在滿足功能的前提下優(yōu)先選擇低電壓、低電流、低頻率、低變化速率的器件，因此芯片應(yīng)該不會對EMI測試造成困擾。在控制器整個硬件系統(tǒng)可能會成為對EMI測試結(jié)果有影響的干擾源有以下幾處：1）MCU的晶振信號，高速的正弦波信號，頻率8MHz，小功率信號;2）蜂鳴器驅(qū)動信號，頻率為2KHz的PWM波信號，小電流信號;3）CAN總線信號，頻率為500KHz，高速數(shù)字信號;4）撐桿電機(jī)驅(qū)動信號，頻率為8KHz的PWM波，驅(qū)動電流可達(dá)15A的大電流信號。

3 汽車電動尾門控制器EMI測試超標(biāo)分析

標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204中對CE（傳導(dǎo)發(fā)射）要求如下：1）測試程序基于CISPR25標(biāo)準(zhǔn);2）測試頻帶為100KHz-108MHz;3）對測試結(jié)果的要求為在峰值檢測模式和平均值檢測模式下（如沒有特別說明）人工電源網(wǎng)絡(luò)終端的測量值不應(yīng)當(dāng)超過表1中所示下列值（必須滿足峰值要求和平均值要求）：

CE測試結(jié)果顯示在100KHz-700KHz頻帶均值超標(biāo)，最高超了10 dBμV。在100KHz-700KHz頻段出現(xiàn)的騷擾信號主要是差模干擾，在排查時發(fā)現(xiàn)其它幾處的疑似干擾源信號的有無對測試結(jié)果沒有什么影響，唯獨(dú)當(dāng)有撐桿電機(jī)驅(qū)動信號輸出時測試超標(biāo)現(xiàn)象就重現(xiàn)，而當(dāng)沒有撐桿電機(jī)驅(qū)動信號輸出時測試超標(biāo)現(xiàn)象就消失，測試結(jié)果與背景噪聲差不多。由以上分析可以確認(rèn)造成CE測試超標(biāo)的干擾源為撐桿電機(jī)驅(qū)動信號。

標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204中對RE（輻射發(fā)射）要求如下：1）測試程序基于CISPR 25標(biāo)準(zhǔn);2）測試頻帶為100kHz-2.5GHz;3）對測試結(jié)果的要求為在峰值檢測模式和平均值檢測模式（如果沒有特殊說明）的測量值不應(yīng)當(dāng)超過表2中所示下列水平（峰值要求與平均值要求兩者都要求滿足）：

RE測試結(jié)果顯示在100KHz-2MHz頻帶均值超標(biāo)，最高超了10 dBμV。在100KHz-2MHz頻段出現(xiàn)的騷擾信號主要是差模干擾信號，在排查時發(fā)現(xiàn)其它幾處的疑似干擾源信號的有無對測試結(jié)果沒有什么影響，唯獨(dú)當(dāng)有撐桿電機(jī)驅(qū)動信號輸出時測試超標(biāo)現(xiàn)象就重現(xiàn)，而當(dāng)沒有撐桿電機(jī)驅(qū)動信號輸出時測試超標(biāo)現(xiàn)象就消失，測試結(jié)果與背景噪聲差不多。由以上分析可以確認(rèn)造成CE測試超標(biāo)的干擾源為撐桿電機(jī)驅(qū)動信號。

4 控制器EMC設(shè)計優(yōu)化與測試驗(yàn)證

經(jīng)過上述測試分析得知，造成控制器CE測試與RE測試超標(biāo)的禍?zhǔn)资菗螚U電機(jī)驅(qū)動信號產(chǎn)生的噪聲干擾。由于前期為了控制器的設(shè)計成本控制器的撐桿電機(jī)驅(qū)動端口與控制器電源端口僅做了簡單的濾波處理，故無法達(dá)到遏制騷擾噪聲的目的（見圖1、圖2、圖3與圖4）。

為此本人從減小干擾源發(fā)射強(qiáng)度與切斷干擾源的傳播途徑兩個方面提出了以下幾個設(shè)計優(yōu)化措施：1）優(yōu)化撐桿電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計，特別是驅(qū)動MOS管周圍電路的設(shè)計。例如在滿足MOS功耗溫升允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大MOS柵極電阻的阻值以此來減小MOS管導(dǎo)通速度，減小PWM波形上升沿的過沖，進(jìn)而減小PWM波產(chǎn)生的諧波干擾噪聲;2）優(yōu)化PCB層疊設(shè)計，建議PCB的層疊設(shè)計改為第一層（TOP層）為信號層、第二層（Inner_1層）為地GND層、第三層（Inner_2）為信號層、第四層（Inner_3層）為電源POWER層、第五層（Inner_4層）為地GND層與第六層（Bottom層）為信號層，這樣有助電源層和地線層緊密耦合減少板子對外界的輻射干擾。另外，每個信號層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號層均有有效的隔離，不易發(fā)生串?dāng)_;3）TOP層與Bottom層要包地處理，同時電源和GND要注意隔離，可以用殼體地進(jìn)行隔離;4）電源層也要內(nèi)縮包地處理，同12V電源系統(tǒng)、每種5V電源系統(tǒng)之間要用GND隔離處理;5）電源線與地線盡可能布寬一些，減小電源回路的布線阻抗;6）優(yōu)化撐桿電機(jī)驅(qū)動端口的濾波電路設(shè)計，在電機(jī)端口電機(jī)正負(fù)極對地及兩級之間增加陶瓷貼片濾波小電容，改變干擾噪聲信號的回流路徑以減小對外輻射的強(qiáng)度;7）優(yōu)化控制器電源端口濾波設(shè)計，在電源回路中串入差模電容，防止干擾噪聲通過電源線輻射出去。優(yōu)化設(shè)計后的樣件原理圖（見圖5、圖6、圖7與圖8）;8）軟件設(shè)計優(yōu)化，為了減小電機(jī)驅(qū)動信號對外界的噪聲干擾，在滿足電機(jī)驅(qū)動的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低電機(jī)驅(qū)動信號的頻率，頻率建議由目前的20KHz減小到16KHz或者12KHz，并采用擺頻技術(shù)使電機(jī)驅(qū)動信號由固定頻率變?yōu)樵?2KHz至16KHz頻段內(nèi)按照一定規(guī)律周期性來回變化，減弱驅(qū)動信號在某一頻點(diǎn)噪聲的強(qiáng)度。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的樣件控制器樣件再次進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示CE與RE前期測試超標(biāo)的頻段現(xiàn)在測試在相應(yīng)頻段的噪聲最大幅值現(xiàn)在都回到了標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204要求的限值以下（見圖9、圖10），受測樣件滿足了標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204在CE測試與RE測試在各個頻帶的限值要求，順利地通過了EMI測試。說明了優(yōu)化設(shè)計措施有效，樣件的EMI性能優(yōu)異。

5 結(jié)束語

本文對汽車電動尾門控制器的EMI測試與設(shè)計優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，分析了測試超標(biāo)的原因，提出了設(shè)計優(yōu)化的整改措施，通過測試驗(yàn)證取得了良好的效果，豐富了汽車電子模塊EMC設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，對其它類似的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計與EMI測試整改有著重要的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭軍奇.電子產(chǎn)品設(shè)計EMC風(fēng)險評估[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.