电磁兼容技术在汽车嵌总线中的应用

电磁兼容课程论文

题目名称：电磁兼容技术在汽车嵌总线中的应用院系名称：电子信息学院

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指导教师：

2013年5月

电磁兼容技术在汽车嵌总线中的应用

摘要：随着各种复杂的电子设备和系统的生产，设计者对于电磁兼容(EMC)的设计需求也越来越重电磁兼容是指电子、电气设备或系统在预期的电磁环境中，按设计要求正常工作的能力。它是电子、电气设备或系统的一种重要技术性能。它包括括两方面的含义：①设备或系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力，并且有一定的安全余量。②设备或系统不产生超过规定限度的电磁干扰。任何的信息科技产品在售出前都必须达到国家相应的电磁兼容标准，电磁兼容设计已经成为民用电子设备中必须严格遵循的原则和步骤。下边的文章中，介绍了用电磁兼容的设计理论分析了汽车中电子设备受电磁干扰的现象及危害性，对汽车嵌总线系统的PCB板、总线进行了电磁兼容设计，并提出新的滤波电路及连接方法，能解决汽车嵌总线系统的抗干扰问题，达到良好的效果。

关键词：汽车嵌总线电磁兼容设计滤波电路

1.引言随着科学技术的飞速发展，人类已经进入了信社会，电子、通信、计算机、汽车等电气设备的进入家庭，给人们的生活带来了巨大的变化乐，与此同时出现了电气设备向空间辐射电磁电磁波能量以每年7％一14％的速度增长，环境中电磁能的密度最高可增长到26倍，将严化人们的空间环境。目前，许多产品和系统在开发设计时仅仅只考虑其功能性，缺乏对电磁兼容设计重要性的认识，因而对电磁辐射的控制往往成为产品上市的主要障碍。而且目前几乎所有的设计者在设时只是确保在分系统级或是组件级能达到电磁兼容标准，但随着开发的进行，当各分系统被组装后，往往还是会出现电磁干扰问题。但采因此，作一个技术人当设计新的电子产品时就应该考虑电子设备及相互间是否受电磁波响，可否正常安全工作，考虑保护我们赖以生存和发展的洁净空间，为就应当进行电磁兼容(电磁兼容)设计。车电磁干扰的来源汽车的电磁干扰是指：汽车与环境、汽车与汽以及对人对环境的电磁辐射，汽车于人之间的波影响。即是汽车中的各个元件、部件、系统之间的电磁骚扰。

2.电磁兼容简述

电磁兼容(ElectromagneticCompatibility,简称EMC)是指设备或系统在其

所处的电正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。国际电工委员会标准IEC对电磁兼容的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。

EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。电磁兼容试验就是用以检验设备或系统电磁兼容性能中抗电磁干扰能力的有效手段。为了防止一些电子产品产生的电磁干扰影响或破坏其它电子设备的正常工作，各国政府或一些国际组织都相继提出或制定了一些对电子产品产生电磁干扰有关规章或标准，符合这些规章或标准的产品就可称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility）。电磁兼容性EMC标准不是恒定不变的，而是天天都在改变，这也是各国政府或经济组织，保护自己利益经常采取的手段。

20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC学科以研究和解决这一问题为宗旨，主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术，并在此基础上根据技术经济最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是兼容的，同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。

内部干扰是指电子设备内部各元部件之间的相互干扰，包括以下几种：（1）工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰；（与工作频率有关）

（2）信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的干扰；

（3）设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰；

（4）大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。

外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰，包括以下几种：

（1）外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统；

（2）外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统；

（3）空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰；

（4）工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰；

（5）由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

3.汽车中的电磁干扰

3．1干扰分类

车内的干扰：根据来源可分控制系统的干扰、机构的干扰和电子元件产生的干扰。根据电磁的途径可分为传导干扰、感应干扰和辐射干扰。传导干扰主要通过电路中导体传播，如共用电源、共用接地、各元件及部件间的有线连接。感应干扰又可分为电感应干扰和磁感应干扰。如电路中的线圈的线束和电动机、继电器等。辐射干扰如异步电动机，在线圈开路瞬间，产生浪涌似的大能量瞬变干扰。3．2干扰的系统及装置

3．2．1点火系统：

点火系统由点火线圈、电阻、电容构成的振荡电路组成，其工作原理是当初级线圈断开、次级线圈上感应产生上万伏高压传至火花塞引起尖端放电达到点燃混合气体的目的，同时也产生出高频振荡引起的辐射干扰。

3．2．2电源系统

电源系统由蓄电池、发电机、调节器等组成。当发电机炭刷与滑环接触不良工作时，产生电火花，形成电磁波辐射。其次调节器不断调节发动机励磁电流以达到稳定电压输出的同时，引起线圈中产生不同频率的自感电势，也形成电磁波辐射。

3．2．3辅助电气系统

辅助电器系统的风扇电机、空调电机、雨刮器、门窗电机、座椅调节电机等，都是直流永磁电机，在其工作时产生电火花，通过电源线引起电磁波。以上列出的干扰都会直接引起电子设备信号失真，导致控制系统的逻辑错误，致使设备不能正常工作，甚至可能出现不堪设想的后果。

3．3汽车电磁兼容的设计思想

使设计的电路满足于实际需要就应采取：

1)对车用零件进行电磁兼容设计及试验；

2)对部件进行电磁兼容设计及试验；

3)对整车的电磁兼容设计及试验。

经过以上步骤才能确保整车的电磁兼容标准。汽车的标准有ISO、IEC、CISPR 的国际有以欧洲ECE法规和EEC指令的地区标准，有以美国国家标准协会ANSI、美国联邦通信会FCC、美汽车工程协会SAE、德困邮电部FIZ、英国标准协BSI、曰本民间干扰控制委员会VCCI、我国的G国家标准以及国际上如美国福特(Ford)，法国的标致(Peugeot)等汽车电磁兼容达到标准通常汽车企业也分别对应的制定了高于国内标准的企业标准。本文叙述嵌总线电磁兼容设计根据工作特点采用的标准为：道路车辆静电放电产生的电骚扰试验方法GB／T1995—2005标准和IS07637--3道路车辆除电源线通过容性和感性耦合的电瞬态发射标准。

3．4技术设计

汽车电磁兼容设计，是在设计整车电子线路及其装置时，根据汽车的设计参数和汽车使用环境，分析出干扰源因素，从而采取技术措施排除和抑制干扰，使电气设备能正常工作，保护良好的环境及空间。

其设计包括3个方面：

1)切断干扰的传导；

2)阻断干扰源的辐射；

3)提高敏感元件的质量。

设计的步骤：

1)选择电子元件的电路，了解所采用元件的电磁敏感性门限、抑制干扰技术等的电路设计；

2)确定元件位置、连线、抗干扰的区域分割、电磁屏蔽隔离的布局布线设计；

3)以各子系统、各装置、各元件抗干扰控制指标及总体达到的目标要满足系统和总体设计的要求。

4.汽车车窗嵌总线控制系统的电磁兼容设计

由于汽车内部充满着电磁干扰，电磁干扰不仅影响着自身系统，还影响到相邻系统的正常工作。目前几乎所有的设计者在设计时只是确保在分系统级或是组件级能达到电磁兼容标准，但随着开发的进行，当各分系统被组装后，往往还

是会出现电磁干扰问题。因此必须以系统的概念对嵌总线控制系统进行电磁兼容的设计。项目中嵌总线系统采用智能节点设计，如图1所示。按车窗的位置分为左前后、右前后四个节点单元，以左前节点为主控单元，不仅可控制本车窗升降，还远程控制其它车窗的工作。各节点均带独立的微控制器，嵌总线系统由网络节点通过总线相互连接组成，总线为信号传输的主线，网络节点既是产生干扰源又是受到干扰的元件，因此嵌总线系统电磁兼容设计目标是节点上的PCB板及其元件和线束的防干扰。并从干扰源、敏感源和耦合路径三个方面进行。

图1嵌总线系统

4．1系统的设计

系统的组成是通过总线分别与四个节点单元连接(其中以各节点兼有主控系统)，单元中设有标准。为保证相对独立的控制系统，控制系统主要由单元主控器P8XC591与总线收发器(PCA82C250)电机驱动(MC33486)、2只MOSFET推动管组成。嵌通信的入、输出信号与总线连接采用光偶合电路进行隔离，只有当电路中通过一定大小的信号电平才能促导使电路导通，因此就隔离了干扰信号。整个单元系统采用金属封闭性设计，为考虑其散热和防止孔洞进入电磁辐射对电路产生影响的因素，采用小孔代替大孔的处理满足于设计。

4．2单元PCB板部分的设计

1)电子元件在电路印刷制板上的布局：把数字电路部分、模拟电路部分、功率管

部分、芯片电路与分离元件部分分开，并考虑其高低电平、传输速度、电流大小、合理的布局，使其各部分之间耦合度减至最小。

2)线路板上的布局：增大电源线与信号线位置，以防相互干扰，使控制线、信号数据线尽量缩短，增大线间距离减小互感以降低感应噪声，布线至转角处要采用弧形以减小高频噪声。

4．3嵌总线束电磁兼容设计

4．3．1总线上受到的干扰及影响

1)总线以两根信号线代替通常复杂的线束，由于长距离的连接可视为接收与辐射的天线，它既能接收车内空间电磁波造成对电路的干扰，又会把电路工作时产生的电磁波干扰辐射到车内，影响其他设备的正常工作。其干扰可分为：1)总线中由于导线相互近距离的平行，在其间存在着寄生电容及电感，因而引起感性、容性的串扰即产生差模干扰，导致接受与传送信号的数据错乱。两导线间的互感产生的容性干扰用下数学式表达：

V n =jω[C

12

+C

2

]/(jω+1/[R(C

12

+C

2

)]) (1)

式中：C。。是平行导线间耦合电容，R为很小的受干扰导线总电阻，V。是干扰源电压，Vn是受干扰电压。由式中可知：在干扰源电压及频率不变的前提下，可用降低阻抗R及减小耦合电容C，z的两种方法来降低干扰电压Vn。两导线问的互感产生的感性干扰用下数学式表达：

V N =M

12

Di

1

/dt(2)

式中：M。：为两导线1'4的互感，j为导线的面否为在导线1中的电流I。在导线2中产生的磁场密度。若磁通密度对于时间的变化成正弦规律，则上式可写为：

V

n

=jωA cosθ(3)

从式上中可看出，当COS0=Oo时，Vn最大。当θ=900时Vn=0，即若使导线1和导线2垂直时干扰电压时Vn为零，即干扰为零。

2)两根信号线组成的总线同时受到外界的干扰，形成共模干扰，使信号数据不稳定。

3)总线上受到静电危害传至电路芯片上，使其产生大电流热效应、高压击穿、电磁辐射影响电路正常工作。

3．3．2解决的措施

要解决总线上的干扰通常采取尽可能拉开导相互距离并用屏蔽线及搭铁处理来减小容性串扰。采用增大信号线与搭铁线(接电屏蔽层)紧密接触来减少感性干扰，采用屏蔽线束，缩短线束长度、用搭铁护套屏蔽线来减弱共模与差模的干扰。虽然采用了上述方法，仍不能达到有效的解决干扰现象，因此采用新设计的以下滤波电路来解决：由于嵌总线上受到共模干扰电流和差模干扰电流的影响：

1)当外界电磁场产生的感应电压在总线中两根信号线上产生相位与幅度相同并与车内搭铁形成回路的共模电流，这总线信号线上流动的共模电流会产生电磁辐射，造成对其他设备的干扰，并且当其形成差模电流时就会产生对自身电路的影响。

2)当外界电磁场在总线两信号线与搭铁(地线)间产生差模干扰电流时，就会对总线传输的信号进行干扰，使电路控制信号出错。因而在总线中的两根信号线屏蔽层上串人抗干扰滤波。

3)抗干扰滤波器的特点为：①与通常滤波器接入电路位置不同，是串接入嵌总线的两信号线屏蔽层以防止干扰电流通过屏蔽层与搭铁形成回路，产生对信号线产生干扰，并且在总线两根信号线的两头加上铁氧体磁环增加电路中的阻抗，阻止干扰电流从电缆连接处进入电路。②滤波电路同时抑止共模与差模于扰。③差模回路和共模回路上分别设计构成谐振滤波器衰减电路中特殊的干扰。

5．结束语

因为每一次的设计过程都有其独特性，因此本文只是提出了一种可能的系统级电磁兼容设计思想及其实现方法，设计初期就将系统级电磁兼容设计与管理作为产品开发的一个必要环节，将系统级电磁兼容设计思想贯串始终，采取合理的电磁兼容性工程管理，充分利用以往的开发经验以及各种辅助设计工具，力争以最少的花费达到最佳性能。上述文章讲解了通过对节点控制部分电路采用金属盒封闭并搭铁处理；对PCB板的电磁兼容设计；对嵌总线系统中用的电源采用传统的抗干扰措施。对嵌总线的信号线采用本文所述方法，在样机试运行后，能有效防止干扰，取得了良好的效果。

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