汽车电子电器电磁干扰的产生及解决方案

汽车电子电器电磁干扰的产生及解决方案随着电子技术的飞速发展，越来越多的电器设备应用到汽车上，提升了汽车的整体性能，但同时也带来了一个新的问题，由于采用大量电子设备而产生的电磁干扰。针对汽车电子电器电磁干扰的产生及解决方案这一问题，本文系统分析了汽车内部的点火系统、电机、电源、线路以及静电等引起的电磁干扰，并提出一些措施来防止电磁干扰。只要是带电的物体都会对周围产生辐射或受到其它磁场辐射的作用，那么对于应用大量电子设备的车辆而言，电磁辐射干扰对于车辆电气系统的正常运行就会带来很大的影响。随着汽车工业日新月异的发展和汽车电子电器设备的大量应用，汽车电磁干扰的特点及其产生的影响也有了巨大的变化。本文就汽车电子电器电磁干扰的产生及解决方案进行探讨。1汽车电器电磁干扰概念及分类：1.1汽车电器电磁干扰：是指任何能中断、阻碍、降低或限制汽车电气、电子设备有效性能的电磁能量，对有用电磁信号的接收产生不良影响，导致设备、传输信道和系统性能劣化的电磁骚扰。根据电磁干扰所产生的特点，将干扰源、传播途径和敏感设备称为电磁干扰三要素，在汽车电磁干扰形成的过程中，电磁干扰源为汽车启动或运行时电压瞬时变化较大的设备：如高压点火系统、各种感性负载(电机类电器部件)、各种开关类部件(如闪光继电器)、各种电子控制单元以及各种灯具、无线电设备等；电磁干扰途径主要分为传导干扰和辐射干扰，如在汽车启动瞬间点火机构所产生的扰动为传导干扰，而无线电干扰即为辐射干扰。敏感设备主要为汽车电子设备，如发动机控制单元（ECU）、ABS、安全气囊及各种电子模块等。1.2汽车电子设备工作在行驶环境不断变化的汽车上，由于汽车电子设备形成以蓄电池和交流发电机为核心电源以及车体为公共地的电气网络，各部分线束都会通过电源和地线彼此传导干扰，而不相邻导线间也因天线效应而辐射干扰，干扰组成较多，环境中电磁能量构成的复杂性和多变性，意味着系统所受到的电磁干扰来源比较广泛。按照电磁干扰的来源可分为汽车内部电磁干扰、汽车外部电磁干扰、无线电干扰和车体静电干扰。2针对不同的干扰源，下面对汽车电磁干扰现象作以分析：2.1汽车内部电磁干扰2.1.1点火系统的电磁干扰点火系统中的点火线圈、火花塞、分电器、高压线等都是干扰源，尤其是火花塞是引起高频电磁干扰的主要部件。当点火线圈初级电路被切断以后，交流发电机励磁绕组与蓄电池断开，但与其它负载仍有电的联系，这时在励磁绕组上仍有自感电动势，为一负向脉冲，脉冲幅度取决于断开瞬时的负载和调节器的状态。在初级电路所发生的是一种衰减振荡，初级电压的最大振幅值一般为300-500V，此瞬变电压若无有效的抑制措施，势必对初级电路中的电子器件构成威胁，甚至通过导线对其它电子装置产生严重的干扰。同时，在次级线圈中所感应的次级电压最大值一般为20000～30000V，足以击穿火花塞的电极间隙，产生电火花放电。火花放电将产生约0．15～1000MHz的宽带电磁波向周围的空间辐射；如果在初级点火电路断开时打开点火开关，则产生最强的瞬时过电压，对汽车内部的电子设备产生强烈的辐射干扰。2.1.2汽车内部过电压干扰在汽车电器系统工作过程中，当电器的开关接通或断开、负载的电流和电压变化以及磁场发生变化时，都容易产生高频干扰信号，同时感性负载产生沿电源线传导的干扰。2.1.2.1负载突变过电压交流发电机与蓄电池是并联工作的。行驶过程中,若交流发电机处于额定负载下工作,一旦将交流发电机与蓄电池间的连线断开,将产生负载突变过电压。所谓负载突变过电压,即脉冲电压,其瞬间过电压时间达100μs,升压峰值在75～125V之间。这是因为,交流发电机定子绕组中的电流产生突变,其势必产生自感电动势,这样的过电压将产生大能量释放,对车辆电器中的电子产品产生大的冲击。该过电压平时被蓄电池所吸收,使电路中电压呈现稳定状态。而断开连线后,过电压极易造成电子元件损坏,尤其是电子调节器中的大功率管一旦被击穿,将会使充电系统处于不正常状态。2.1.2.2互耦式瞬态电压汽车的电线遍及全车，而且这些长长的导线往往紧紧扎成线束。无屏蔽的配线及搭铁阻抗在汽车电系内很自然会产生准静态感性或容性耦合和阻性耦合。当相邻导线中的电位有阶梯变化时，就会通过线间的电感和电容产生耦合。电源线中的瞬变干扰会耦合到信号线或控制线中，对车内发动机控制单元(ECU)等电子模块产生影响。2.2汽车外部电磁干扰车外电磁干扰是汽车行驶中经历各种外部电磁环境时所受的干扰。这类干扰存在于特定的空间或是特定的时间。如高压输电线、高压变电站和大功率无线电发射站的电磁干扰，以及雷电、太阳黑子辐射电磁干扰，等等。环境中其它临近的电子设备工作时也会产生干扰，例如行驶中相距较近的汽车。对汽车电子设备的电路来说，任何因素激发出的电路中的振荡，都会通过导线等以电磁波的形式发射出去，不仅干扰收音机、通信设备，而且对车上具有高频响应特点的电子系统也会产生电磁干扰。同时由车外收发两用机之类的无线电设备、雷达、广播电台等发射无线电波，会干扰汽车上的仪器，使电子控制装置失控。2.3无线电干扰电压汽车上无线电干扰电压来自两个方面：车外干扰源和车内干扰源。汽车由于其高机动性导致它可能会处于各种电磁场中，如固定的短波发射站以及移动电话电磁干扰等。汽车内部的干扰源主要是汽车电气系统中的各种瞬变电脉冲、电器触头和火花塞间隙之间的火花、车轮与地面以及车身与空气高速摩擦产生的静电放电。这些电磁自身产生的骚扰既可能对自身的汽车电器造成干扰，也会通过电磁发射对周围环境中的其它电器造成无线电干扰。如点火系统，其干扰在接收机音频中表现为有韵律的爆声或滴答声，且音调直接与引擎速度有关，当引擎负载增大时干扰幅度也增大。产生干扰的原因在于电气设备系统的导线、线圈及其他部分的自感和电容形成振荡回路，当以火花形式放电时，产生高频振荡，借高压电线（或导线）向空中发射电磁波，切割接收机的天线，引起干扰。2.4、静电放电干扰车体静电干扰与汽车和外部环境都有关。由于汽车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。静电放电会在车体上形成干扰电流，同时产生高频辐射，对汽车电子设备形成电磁干扰。如一种国内开发生产的安全气囊，在汽车整车装配线上突然引爆。经查发现该安全气囊的电子引爆控制器不能承受较强的环境辐射电磁场，当有静电放电发生时，会有误动作。3汽车电器电磁干扰的抑制措施：根据前面的分析，要综合提高汽车电子设备的抗电磁干扰性能，可以从三方面考虑，一是减小设备发射电磁干扰的强度；二是抑制电磁干扰的传输；三是降低设备电磁敏感部件接收干扰的强度。采用电磁干扰的同时，在汽车电子设备设计的时候就要考虑设备的电磁兼容性能，其中包括两方面，一是电磁发射，衡量系统产生的电磁干扰的发射水平；二是电磁敏感度，衡量系统在工作时为实现预期技术指标而需要的抵抗电磁干扰的能力。实际设计及生产过程中，汽车生产厂家也是通过多种方法来共同抑制汽车电器设备电磁干扰现象。3.1加装阻尼电阻：在点火装置的高压电路中，串入阻尼电阻，削弱火花产生的干扰电磁波。阻尼电阻值越大，抑制效果越好。但阻尼电阻太大，又会减少火花塞电极间的火花能量。阻尼电阻一般用碳质材料制成，电阻值约10-20kΩ。阻尼电阻加在点火线圈端和火花塞接头端。3.2加装电容器：对于电感性负载引起的干扰，抑制方式可以采用并联一个适当数值的电容器，以消除反向过电压。在电器元件上加装吸收和抑制电容，通过加装不同的电容组合(电容量在几十至几百微法之间)吸收和抑制电磁骚扰，使骚扰源通过导线对外界的影响降到最小。如在调节器的“电池”接柱和“搭铁”之间和发电机“电枢”接柱和“搭铁”之间并联0．2～0．8µF的电容器；在水温表和机油压力表的传感器触点间并联0．1～0．2µF的电容器；在闪光继电器和电喇叭的触点处并联0．5F电容器等。3.3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。搭铁为静电放电提供一条低阻抗通道，可以释放积累的电荷，有效防止静电放电。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。3.4采用滤波器：滤波器主要抑制通过电路通路直接进入的干扰，它是应用最普遍的抗干扰方法。根据信号和干扰信号之间的频率差别，可以采用不同性能的滤波器，抑制干扰信号，提高信噪比。3.4.1雨刮电机的结构调整和内部滤波：雨刮电机是直流永磁蜗轮减速电动机，为典型的感性负载干扰源，功率较大，采用零部件测试方式对其测量，先对电机的换向器结构做了调整，并在电机内部对电路做了滤波处理。3.4.2闪光器的电路滤波：闪光器是汽车设备中典型的触点型器件，工作时通断频繁，在线束上产生较大传导干扰，并由此产生较大辐射干扰。通过在闪光器附近加接0.1mF的电容，并在线束上套铁氧体磁环，构成低通滤波器，抑制其传导干扰，同时减小辐射干扰。3.5消除静电放电危害措施3.5.1建立完善的屏蔽结构，通过搭铁的金属壳将静电荷释放到地；3.5.2内部电路与金属壳的连接采用一点搭铁方式；3.5.3增加诸如硅变电压吸收二极管(STVS)之类的快速保护元件，将高压电荷泄放到地；3.5.4印刷电路板设计中增加保护环带，将手拔插线路板的电荷通过最短的路径泄放到地。3.6保持良好的接地与屏蔽3.6.1电器良好的接地，是抑制汽车电磁干扰的主要措施之一。良好的接地包括两方面内容，一是接地要牢靠，二是接地点要正确。3.6.2加装金属屏蔽，将所有容易发射电磁波的电器及导体，用金属网或屏蔽罩包起来。这样当电磁波或高频电磁振荡遇到金属屏壁后，电磁感应在金属屏壁内产生涡流，使电磁波消耗于涡流的热效应中，不能向外发射，从而可以避免对无线电波的干扰。但是，要很好地避免干扰，必须遮掩完全，防止漏隙，并使各接头与车架接触良好。结束语：总之，汽车电磁干扰及其产生的影响是重大的，关系到汽车安全可靠性，解决汽车电子设备的电磁干扰问题，我们采取了不同的汽车电子电器电磁干扰的产生及解决方案，其中滤波、屏蔽、优化布线和搭铁是4项EMC最常规的有效措施。那么在汽车电子设备应用日益普及的时期，采用好的电磁兼容型设计也是一种行之有效的方法。