林 森

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著電子技術在汽車上的廣泛應用，車輛上集成了大量電子設備來實現(xiàn)各種功能。這些電子設備通過線纜進行互連，分布在車內(nèi)有限空間。一方面，各電子設備所連接線纜布局過于集中，相互耦合產(chǎn)生串擾，導致易受干擾的設備功能出現(xiàn)異常；另一方面，外部輻射能夠通過線纜耦合進入電子設備，對設備產(chǎn)生干擾，影響設備正常使用。汽車電磁兼容技術就是要保證車載電子設備在汽車運行過程中既不能發(fā)射超過允許限值范圍的電磁干擾，同時又能抵抗其他電子設備產(chǎn)生的電磁干擾。電磁波看不到摸不到，產(chǎn)生的問題沒有功能和原理顯而易見，因而被忽略。傳統(tǒng)的汽車電子設備電磁兼容設計是在設計完成后按國家標準進行試驗測試，若不能通過則修改設計后再次測試，如此反復設計，測試，整改，再設計的過程，延長了設計周期，增加了設計成本。因此，汽車電磁兼容已成為汽車設計時必須提前考慮的問題。

干擾源，干擾途徑和敏感設備是電磁干擾的三要素[1]。汽車電子設備大部分的指令下發(fā)，信息傳遞均通過線束實現(xiàn)。線束作為傳播途徑，既可以對外發(fā)射電磁波也可以接收外部電磁波。因此線束是設備發(fā)射超標或抗擾性降低的主要因素之一。

基于以上分析，在產(chǎn)品設計之初，采用仿真分析的方法對電子設備使用的線束種類進行串擾和抗擾性仿真，通過仿真分析得出不同種類線纜具有的抗擾性水平，為線束選型提供設計依據(jù)，避免在后期解決電磁兼容問題時引起線束更換導致的成本增加和項目拖期等問題。

1 車輛電磁兼容標準要求

面對日益復雜的電磁環(huán)境，國內(nèi)外均制定了電磁兼容標準對車輛和零部件進行合格性判定。我國在軍用和民用領域也制定了相關標準對發(fā)射和抗擾進行控制。下表1為零部件抗擾性法規(guī)要求。

表1 零部件抗擾性法規(guī)標準

從車輛類國家標準中我們可以看出，標準對整車和零部件設有抗擾性指標考核，因此在整車和零部件設計時應考慮產(chǎn)品抗擾性指標，試驗時應進行抗擾性測試，所有試驗項目均達到國家標準才算合格。

2 車輛線束分類

車輛基本功能為：在各種工況下均能夠保持行駛性。因此按照線束重要程度及實現(xiàn)功能綜合評估進行分類，見下表2所示。

從表2中我們選取實現(xiàn)車輛間信息交互的重要線束CAN總線、傳感器線以及射頻線與仿真模型中屏蔽/非屏蔽線、單根線和同軸線進行線束類型對應，進行仿真分析，評估線束在非屏蔽，雙絞，屏蔽下的串擾和抗擾性水平，得出仿真結果，作為線束設計選型時參考依據(jù)。

表2 線束分類

3 線束仿真

通過使用仿真軟件模擬單根線纜、同軸線、雙絞線、屏蔽雙絞線在遇到外部強電磁環(huán)境時線纜上感應到的電壓和電流大小評估各種線纜的串擾性和抗干擾性。線束分類及布置如圖1和圖2所示，兩圖區(qū)別在于將屏蔽雙絞線和單根線纜位置進行調(diào)換。線束建模如圖3所示。其中線束長度為1米，線束間隔為5厘米。在串擾仿真時，將最外側(cè)單根線定義為發(fā)射源，其它線纜上感應到的電壓和電流大小為串擾值。在抗擾性仿真時，單根線纜只保留一根，輻射源用國軍標中定義的電磁脈沖信號進行模擬。通過對線纜上感應的電壓和電流大小來判斷線束的抗擾性能。

圖1 線束分類及布置（情況1）

圖2 線束分類及布置（情況2）

圖3 線束建模

3.1 線束串擾仿真

串擾是信號在傳輸線上傳播時，由于電磁耦合而在相鄰的傳輸線上產(chǎn)生不期望的電壓或電流噪聲干擾[2]。信號線的邊緣場效應是導致串擾產(chǎn)生的根本原因。

如圖4所示，假設位于A點的驅(qū)動器是干擾源，而位于C點的接收器為被干擾對象。根據(jù)串擾產(chǎn)生的原因是由容性和感性所致，將串擾分為容性串擾和感性串擾[3]。

圖4 兩條傳輸線的感性容性耦合

本例中激勵信號為一個脈沖信號，SPICE模型如圖5所示，單根線纜的黃色端口為激勵源，仿真持續(xù)時間為0.1 us，脈沖為電壓型，電壓大小為24 V，如圖6所示。

圖5 SPICE建模

圖6 脈沖模擬信號

采用圖1線束布置位置仿真后各線纜上感應電壓如圖7所示，感應電流如圖8所示。對圖7和圖8中電壓和電流進行匯總，見表3。

圖7 各線纜上感應電壓曲線

圖8 各線纜上感應電流曲線

表3 線纜不同擺放位置仿真結果

采用圖2線束布置位置仿真后各線纜上感應電壓如圖9所示，感應電流如圖10所示。對圖9和圖10中電壓和電流進行匯總，見表3。

圖9 各線纜上感應電壓曲線

圖10 各線纜上感應電流曲線

通過表3數(shù)據(jù)分析可以看出，以單根線模擬激勵源，電壓為24 V時，屏蔽雙絞線和同軸線上感應到的電壓遠小于單根線和雙絞線上感應到的電壓。當單根激勵源線纜上的電流為0.3 A時，屏蔽雙絞線、雙絞線、同軸線上感應到的電流遠小于單根線纜上感應到的電流。

圖2中的擺放位置是將圖1中單根線和屏蔽雙絞線進行了位置互換，模擬線束與干擾源在不同距離時感應到的電壓和電流大小。單根線按圖1仿真時距離激勵源5 cm，感應電壓為1 V，按圖2時距離激勵源20 cm，感應電壓為0.01 V，減小了100倍；感應電流也由圖1的0.2 A減小到圖2的0.003 2 A，減小了100倍。屏蔽雙絞線按圖1仿真時距離激勵源20 cm，感應電壓為0.002 5 V，按圖2仿真時距離激勵源5 cm，感應電壓為0.045 V，增大了18倍；感應電流也由圖1的4*10-16A增大到1*10-15A，增大了2.5倍。在圖1和圖2中，同軸線和雙絞線位置相對激勵源沒有變化，因此仿真后電壓和電流大小也沒有變化。

通過串擾仿真我們發(fā)現(xiàn)，在同一個干擾源下，屏蔽線束（如屏蔽雙絞線、同軸線）感應到的串擾電壓和電流小于非屏蔽線束（如雙絞線、單根線）；距離干擾源越近，感應到的串擾電壓和電流越大。

3.2 抗擾性仿真

抗擾性是指器件、設備或系統(tǒng)在電磁騷擾存在時，不降低性能運行的能力。通過模擬單根線纜、同軸線、雙絞線、屏蔽雙絞線在遇到外部強電磁環(huán)境時線纜上感應到的電壓和電流大小評估各種線纜的抗干擾性。圖12~圖13為仿真建模及線束布置圖，本實例模擬一個GJB 151B《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》中RS105試驗時使用的50 kV雙指數(shù)電磁脈沖（EMP）波形，見圖11所示。

圖11 50 kV EMP雙指數(shù)波形

圖12 SPICE建模

圖13 干擾源和線束建模

50 kV EMP 電磁脈沖通過垂直方向?qū)?4種線纜進行照射，圖14為仿真電壓曲線，圖15為仿真電流曲線，匯總表格見表4。從表4可以看出，同軸線和屏蔽雙絞線上感應到的電壓和電流小于單根線纜和雙絞線。將電磁脈沖以一定角度對4種線纜進行照射，同樣可以得出同軸線和屏蔽雙絞線上感應到的電壓和電流小于單根線纜和雙絞線的結論。

圖14 抗擾電壓仿真曲線

圖15 抗擾電流仿真曲線

表4 線纜在EMP波形下仿真結果

通過對線纜的串擾仿真和抗擾性仿真可以得出如下結論：

1）非屏蔽線束（如雙絞線、單根線）受串擾影響大于屏蔽線束（如屏蔽雙絞線、同軸線）；

2）屏蔽線束（如屏蔽雙絞線、同軸線）抗干擾性優(yōu)于非屏蔽線束（如雙絞線、單根線）。

4 設計應用及試驗

4.1 線束設計應用

根據(jù)仿真結果建議，某型車在零部件和整車的設計開發(fā)過程中，儀表、各控制器之間的 CAN總線采用屏蔽雙絞線設計，雙絞線為黃綠雙色，CAN_H為黃色，CAN_L為綠色，見圖16所示。車輛底盤在車架兩側(cè)分開布線并根據(jù)信號類型適當調(diào)整布線間距，減小線間串擾。某型車輛車架線束布置見圖 17所示，左側(cè)為發(fā)動機變速器線束，右側(cè)為控制器，ABS等線束。

圖16 CAN屏蔽線束

圖17 車架線束布置圖

4.2 整車及零部件試驗

通過對整車和儀表的抗擾性試驗分析，整車和儀表工作正常。各信號工作、顯示正常。圖18為儀表和整車試驗照片。儀表線束包含有 CAN總線、電源線、指示燈線等互連線。儀表通過CAN線與控制器通信，儀表CAN總線為屏蔽雙絞線。試驗在電波屏蔽暗室中進行，試驗時儀表進行了正面和反面兩個方向的測試，CAN信號在試驗過程中數(shù)據(jù)穩(wěn)定，儀表CAN指示符顯示正常，未出現(xiàn)斷開和錯誤報警故障。

圖18 整車及零部件抗擾性試驗照片

5 結論

本文通過仿真不同種類線纜并變換線纜擺放位置再次仿真，驗證了串擾對線束的影響與空間布置位置和線束種類有很大關系，證明了非屏蔽線束受到串擾的影響大于屏蔽線束；通過模擬外部干擾源對線束進行干擾的仿真，驗證了屏蔽線束的抗干擾特性優(yōu)于非屏蔽線束。通過儀表及整車以 CAN總線為代表的屏蔽線設計為例進行了測試驗證，車輛和儀表在受到干擾后工作正常，證明了仿真結果的正確性，同時證明了電磁仿真在設計中的重要作用，可為新產(chǎn)品電磁兼容設計提供理論依據(jù)。