車載通信控制器電磁干擾特性分析與優(yōu)化

陳渝+李旭+郭迪軍

摘 要：車載通信控制器是實(shí)現(xiàn)人車互聯(lián)的核心器件，對整車電磁環(huán)境影響較大?；谲囕d通信控制器的功能和組成特點(diǎn)，研究了其電磁干擾的測試方案，并根據(jù)其干擾特性，提出了抑制干擾的措施，滿足了整車使用要求。

關(guān)鍵詞：車載通信控制器；電磁干擾；測試分析；優(yōu)化

中圖分類號：TN929.53文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.08

Chen Yu，Li Xu，Guo Dijun

（Chang'an Automotive Engineering Institute，Chongqing Chang'an Automobile Co.， Ltd，Chongqing 401120，China）

Abstract：The communication controller offers a direct connection between car and driver.However， it causes electromagnetic interference and seriously affects to the vehicle's electromagnetic environment. Based on its functions and constituent features，the paper conducted research on the test plan for its EMI measurements. And according to its electromagnetic interference characteristics，we proposed specific measures to restrain the interference while satisfying the requirements for vehicles.

Key words：vehicle mounted communication controller； electromagnetic interference； test analysis； optimi-zation

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及人們對生活便利性的需求越來越高，現(xiàn)代化智能轎車上搭載車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品越來越廣泛和普及[1]。以車載通信控制器為例，其實(shí)現(xiàn)了用戶通過智能手機(jī)APP與汽車之間的數(shù)據(jù)和信息交互，具有遠(yuǎn)程控制車輛發(fā)動機(jī)啟動，遠(yuǎn)程控制車窗、空調(diào)、查詢車輛狀態(tài)、車內(nèi)撥打服務(wù)電話、防盜追蹤等功能[2]。其功能眾多，工作時功率較大，特別是在通信過程中，將產(chǎn)生較大的電磁干擾，給整車電磁兼容性能提出新的挑戰(zhàn)，同時，作為通信產(chǎn)品與汽車零部件的融合，其電磁兼容性能測試方案也有別于傳統(tǒng)汽車零部件。

目前國內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品運(yùn)用還處于起步階段，市面上相同或類似功能的產(chǎn)品較少，因而在國內(nèi)的期刊上很少看到車載通信控制器電磁干擾測試及其特性的文章，所以本文將基于車載通信控制器功能和組成特點(diǎn)，研究車載通信控制器電磁干擾特性的測試方案，并根據(jù)其電磁干擾特性，提出降低干擾的措施。本文所研究的內(nèi)容對車載通信控制器電磁干擾的分析優(yōu)化和國內(nèi)車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 車載通信控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的對象是搭載在長安自主設(shè)計(jì)的CS75高配車型上的一款車載通信控制器，采用整車電源網(wǎng)絡(luò)供電，內(nèi)置通信模塊及通信天線。它基于GSM[3]無線通信方式，通過通信運(yùn)營服務(wù)商提供相應(yīng)GPRS數(shù)據(jù)及GSM通話服務(wù)。同時，控制器具有CAN信號收發(fā)功能，與整車CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)CAN線數(shù)據(jù)與GSM等無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和交互，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制整車各個電器設(shè)備和車內(nèi)通話的功能。其整車通信架構(gòu)如圖1所示。

為了滿足上述功能，所需的車載通信控制器內(nèi)部設(shè)備組成框圖如圖2所示，同時標(biāo)注了其主要干擾傳播途徑。

2 電磁兼容測試方案

從以上零部件方案和整車方案可以看出，此車載通信控制器各項(xiàng)控制功能實(shí)現(xiàn)方式為GPRS無線發(fā)送接收數(shù)據(jù)，其次就是GSM語音通話。它搭載到整車上的電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）問題主要集中在控制器通信過程中產(chǎn)生輻射騷擾、傳導(dǎo)騷擾對汽車上其它零部件產(chǎn)生干擾，以及汽車零部件和外界環(huán)境對控制器的數(shù)據(jù)連接性和通話質(zhì)量產(chǎn)生干擾，從而造成連接中斷等問題[4]。

車載通信控制器的臺架測試有別于傳統(tǒng)汽車零部件的電磁兼容測試方法。根據(jù)汽車級的CISPR25、ISO11452電磁兼容要求和通信系統(tǒng)的GB/T 22450[5]電磁兼容要求，同時根據(jù)電磁兼容測試處于暗室內(nèi)無法接收無線GSM或GPRS信號的特點(diǎn)，結(jié)合以上情況我們采用了以下車載通信控制器電磁兼容測試方案：運(yùn)用綜合測試儀置于暗室外，與車載通信控制器保持GSM無線通信狀態(tài)，對車載通信控制器播放1 kHz語音通話；另外與其保持GPRS通信狀態(tài)，使車載通信控制器處于隨機(jī)信令循環(huán)發(fā)送接收，并保持通信質(zhì)量和連接監(jiān)控。測試方案布置和測試照片分別如圖3和圖4所示。

其中，實(shí)現(xiàn)GSM、GPRS通信和數(shù)據(jù)連接狀態(tài)的核心儀器是一臺R&S的綜合測試儀CMU200，是一種模擬基站功能的測量設(shè)備，通過它我們可以對無線終端產(chǎn)品進(jìn)行GSM和GPRS連接和通信，同時對無線終端產(chǎn)品進(jìn)行通信信道、發(fā)射功率、上行下行時隙等一系列通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并能夠?qū)崟r測量GSM、GPRS的RXQUAL接收質(zhì)量、BLER誤塊率等指標(biāo)。我們將它置于暗室外，并通過信號轉(zhuǎn)接至暗室內(nèi)的發(fā)射天線，同時接入CAN信號等測量和監(jiān)控設(shè)備，達(dá)到我們對車載通信控制器電磁兼容性能完整和精確測量的目的。

運(yùn)用CMU200對車載通信控制器電磁兼容測試進(jìn)行設(shè)置和測試的性能指標(biāo)要求見表1，其中RE為輻射發(fā)射，CE為傳導(dǎo)發(fā)射。

3 測試結(jié)果分析

按照以上測試方案和要求，我們進(jìn)行了相應(yīng)電磁兼容測試，部分超標(biāo)及不合格情況如表2及圖6～

8所示。

從以上結(jié)果及數(shù)據(jù)我們可以看出，車載通信控制器在進(jìn)行GSM通話過程中，會產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射騷擾。由圖6和圖7可知，輻射發(fā)射測試在最高超標(biāo)頻點(diǎn)平均值檢測結(jié)果超標(biāo)了30 dB，在55 MHz左右平均值檢測結(jié)果超過規(guī)定限值要求。由圖8可知，傳導(dǎo)發(fā)射測試在1 MHz、8 MHz～25 MHz范圍內(nèi)多個頻點(diǎn)超標(biāo)嚴(yán)重。此電磁特性會對車輛其它零部件及接收設(shè)備造成嚴(yán)重影響，同時也對整車法規(guī)測試的通過帶來困難和隱患。

4 電磁兼容性能優(yōu)化

4.1 測試超標(biāo)原因分析

觀察測試結(jié)果可以看出，輻射發(fā)射超標(biāo)的點(diǎn)主要為245 kHz～30 MHz，從245 kHz開始，其后平均值超標(biāo)點(diǎn)都為基波頻率的各次諧波，傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)頻點(diǎn)為880 kHz、6 MHz到30 MHz，其頻譜圖為大量窄帶諧波。

結(jié)合以上頻譜結(jié)果和車載通信控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析可知，通信控制器的超標(biāo)情況主要是由于控制器內(nèi)部各種芯片及時鐘開關(guān)信號未經(jīng)合理處理導(dǎo)致。其中，音頻功率放大器TPA2010D1典型工作頻率為250 kHz，12 V～5 V的DCDC降壓芯片TPS54240同步開關(guān)工作頻率為1MHz。解決測試結(jié)果中超標(biāo)問題主要從抑制以上騷擾源的方向入手。

4.2 電源芯片及音頻功放芯片濾波優(yōu)化

根據(jù)騷擾源超標(biāo)頻段和濾波電容阻抗，對電源芯片產(chǎn)生的諧波和倍頻干擾，其BOOT和PH管腳之間應(yīng)添加20 MHz左右濾波效果良好的100 nF的電容就近到地，減小其電磁騷擾傳導(dǎo)到后續(xù)負(fù)載電路，減小線間串?dāng)_并帶出到通信控制器外[6]。對音頻功放芯片，其工作產(chǎn)生的內(nèi)部及附近走線的線間串?dāng)_的電磁騷擾，主要通過揚(yáng)聲器輸出傳導(dǎo)出通信控制器內(nèi)部。因此，需要在靠近功放芯片位置處進(jìn)行共模差模濾波處理[7]，如圖9和圖10所示。

4.3 電源濾波方案優(yōu)化

通信控制器的電源輸入端與整車電源連接，通?？刂破鲀?nèi)部的電磁干擾會通過電源端口傳導(dǎo)到其它車載電器部件，同時，其它車載電器部件的電磁干擾也會通過此電源端口傳導(dǎo)進(jìn)通信控制器，對通信控制器的正常工作產(chǎn)生影響。所以，對其電源端口的濾波設(shè)計(jì)尤為重要。

圖11是對通信控制器的電源輸入端的濾波電路設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)電容及磁珠濾波頻率，在正負(fù)極上使用470 nF對地共模濾波電容，并使用多孔磁珠，組成共模濾波網(wǎng)絡(luò)，抑制150 kHz～30 MHz左右的傳導(dǎo)共模電流。同時，在正負(fù)極之間還采用了2個470 nF差模電容，組成π型濾波網(wǎng)絡(luò)[8]濾出對控制器及對外傳導(dǎo)的低頻紋波。

4.4 I/O接口濾波方案優(yōu)化

對于輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射測試的電磁騷擾，主要是通過通信控制器I/O口的外接線束傳播。I/O口如果未經(jīng)合理濾波處理，會將各種芯片產(chǎn)生的大量電磁騷擾帶出控制器，造成輻射發(fā)射超標(biāo)，同時，外界的電磁干擾也容易通過I/O口進(jìn)入控制器內(nèi)部，造成聲音信號的失真嘯叫和控制器的誤動作。對于對外傳導(dǎo)及輻射發(fā)射騷擾較大的0.15 MHz～30 MHz頻率段干擾，對通信控制器的I/O口信號輸入輸出處理也主要通過增加對地的100 nF電容[9]。具體如圖12所示。

4.5 車載通信控制器性能優(yōu)化后測試結(jié)果

從以下測試結(jié)果可以看出，實(shí)施以上優(yōu)化方案后，超標(biāo)的輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射經(jīng)測試已經(jīng)滿足相應(yīng)限值線要求。其中，圖13和圖14較圖6和圖7來看，在輻射發(fā)射超標(biāo)的低頻段干擾降低了30 dB左右，55 MHz左右的高頻段干擾降低了15 dB左右，并有6 dB左右的裕量。圖15較圖8來看，在傳導(dǎo)發(fā)射1 MHz、10 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)干擾降低也較明顯。經(jīng)過對電源芯片、功放芯片主要干擾源及電源端口、I/O口主要干擾途徑的濾波優(yōu)化后，車載通信控制器的電磁特性得到了較大改善，整體效果滿足預(yù)期要求。

5 結(jié)論

（1）本文基于車載通信控制器功能和組成特點(diǎn)，研究了車載通信控制器電磁干擾特性的測試方案，并根據(jù)相應(yīng)方案計(jì)劃實(shí)施了測試工作，能夠較客觀如實(shí)地測試出車載通信控制器在典型工作狀態(tài)下的電磁干擾特性。

（2）從測試結(jié)果看，該車載通信控制器電磁干擾較強(qiáng)，超標(biāo)嚴(yán)重。根據(jù)其干擾特性曲線，從整體構(gòu)架和干擾源及干擾途徑入手，提出了降低干擾的措施。經(jīng)過實(shí)際實(shí)施后干擾得到有效降低，滿足了零部件測試要求和整車使用要求。

參考文獻(xiàn)（References）：

曲良東，劉衍珩，魏達(dá)，等.由車載網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)車載信息與互聯(lián)網(wǎng)的通信[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（11）：2330-2334.

Qu Liangdong，Liu Yanheng，Wei Da，et al. Realization of Communication between Invehicle Information and Internet Based on In-vehicle Gateway[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（11）：2330-2334. （in Chinese）

謝輝，肖斌，郝明德，等.電動汽車示范運(yùn)行無線遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的開發(fā)研究[J].汽車工程，2006，28（8）：734-770.

Xie Hui，Xiao Bin，Hao Mingde，et al. Development of a Wireless Remote Monitoring System for Electric Vehicles Demonstration Operation[J].Automotive Engineering，2006，28（8）：734-770. （in Chinese）

徐小琴，葉樺.基于SMS和GPRS自主切換技術(shù)的車載通信終端[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，36（s1）：13-17.

Xu Xiaoqin，Ye Hua.Vehicle Communication Terminal with Automatic Counterchange Technique Between SMS and GPRS[J]. Journal of Southeast University（Natural Science Edition），2006，36（s1）：13-17. （in Chinese）

BYKHOVSKY M，VSOCHINV，LOUGOVSKOYY，et al. Experimental Investigation of Electromagnetic Compatibility Between GSM-900 Cellular Networks and REE of the Aeronautical Radionavigation Service [C]// Proceedings of 1997 International Symposium on Electromagnetic Compatibility，Beijing，1997：300-303.

GB/T 22450.1—2008. 900/1800MHz TDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)電磁兼容性限值[S].北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局，2009.

GB/T 22450.1—2008. Limits and Measurement Methods of Electromagnetic Compatibility for 900/1800MHz TDMA Digital Cellular Telecommunications System[S]. Beijing：General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，2009. （in Chinese）

曹麗萍，張勛，陳晨，等.開關(guān)電源EMI濾波器設(shè)計(jì)與仿真[J]. 電子科技，2010，35（4）：71-73.

Cao Liping，Zhang Xun，Chen Chen，et al. Design and Simulation of Switching-Mode Power Supply Input EMI Filters[J]. Electronic Science and Technology，2010，35（4）：71-73. （in Chinese）

KAMADA J，F(xiàn)UNATO H，OGASAWARA S. Proposal of Switching Power Amplifier Using Smallcapacity Linear Amplifier and LC Filter [J]. Electronics and Communi-cations in Japan，2009，91（10）：1-10.

高軍，李旭，汪正勝. 電動汽車DC/DC變換器電磁干擾研究[J]. 電力電子技術(shù)，2014，48（2）：33-36.

Gao Jun，Li Xu，Wang Zhengsheng. Research on the EMI of DC/DC Converter in Electric Vehicles[J]. Power Electronics，2014，48（2）：33-36. （in Chinese）

何宏，王云亮，張志宏. 電磁兼容與印刷電路板[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2011.

He Hong，Wang Yunliang，Zhang Zhihong. EMC and PCB[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2011. （in Chinese）