整車電氣部件嘯叫問題分析與整改

練添生，馬 謙

（吉利汽車研究院 （寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

隨著人們生活水平的提高，汽車技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于汽車的舒適性問題也越來越重視，收音機(jī)的嘯叫是用戶能輕易并明顯感知的，對(duì)于客戶的使用舒適性影響非常大，整車電磁兼容 (EMC)的干擾是目前導(dǎo)致收音機(jī)嘯叫極其重要的一個(gè)原因。盡管已經(jīng)有比較完善的整車和零部件電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但仍然不能保證整車在通過電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試之后就不會(huì)再出現(xiàn)電磁兼容性的問題，整車在常規(guī)的EMC試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)異常，但在整車的其他試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)嘯叫問題，通過初步排查認(rèn)為是由于EMC干擾引起，主要來源于整車搭鐵的影響以及零部件本身的嘯叫。

1 整車嘯叫的類型

1.1 零部件本身器件嘯叫

在整車試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)車內(nèi)異響，排查并非經(jīng)過揚(yáng)聲器進(jìn)行發(fā)聲，而是來源于機(jī)器本體發(fā)出的嘯叫，比如多媒體主機(jī)/行車記錄儀等，同時(shí)發(fā)現(xiàn)嘯叫的聲音在車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)不同頻率的嘯叫，比如車速100 km/h，轉(zhuǎn)速3500 r/min，加油門時(shí)，機(jī)艙尖銳哨音嘯叫。

1.2 整車搭鐵干擾引起的嘯叫

在整車試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)從揚(yáng)聲器中出現(xiàn)了嘯叫聲音，比如：電揚(yáng)聲器有“滋滋”類似電流聲，踩制動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出″嗒嗒″聲，整車怠速和不同轉(zhuǎn)速下?lián)P聲器發(fā)出嘯叫聲。操作不同的功能都有可能會(huì)出現(xiàn)嘯叫，這種嘯叫頻率會(huì)比較一致，不會(huì)有明顯頻率的變化。

2 嘯叫的形成機(jī)理

2.1 由電容電感器件本身的振動(dòng)導(dǎo)致的嘯叫

在嘯叫出現(xiàn)后對(duì)整車進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)嘯叫的來源為單件本身，并非從揚(yáng)聲器輸出，最終定位為電容和電感的本身嘯叫；整車在正常運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)電機(jī)發(fā)電給12 V蓄電池充電，同時(shí)給整車用電器供電，發(fā)電機(jī)發(fā)電中包含了交流成分，輸出電壓如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)輸出電壓

由于電壓電流波動(dòng)會(huì)在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，通電電感線圈會(huì)在磁場(chǎng)中受力振蕩產(chǎn)生嘯叫。拆開扼流電感線圈內(nèi)部磁環(huán)，磁環(huán)采用的是金屬卷繞成環(huán)，如果卷繞較松，縫隙較大，周期性電流經(jīng)過電感線圈，產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，該電感線圈在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出聲音，層與層之間會(huì)振動(dòng)發(fā)聲，引起嘯叫，正是這種磁致伸縮效應(yīng)引起了這樣的環(huán)直徑隨脈動(dòng)電流大小、頻率產(chǎn)生相應(yīng)變化而發(fā)聲，此發(fā)聲即人耳聽到的嘯叫。同時(shí)電壓波動(dòng)對(duì)單件內(nèi)部的濾波電容產(chǎn)生影響，此現(xiàn)象是陶瓷電容器的一個(gè)固有特征，當(dāng)施加到電容器的電壓達(dá)到一定的值后，如果向高介電常數(shù)型的電容器施加交流電壓，由于電致伸縮效應(yīng)，會(huì)造成多層電容器芯片伸縮)。由于陶瓷的強(qiáng)介電性引起的壓電效應(yīng)，疊層電容在施加交流電之后會(huì)向疊層的方向發(fā)生伸縮。即與電路板平行的方向也會(huì)發(fā)生伸縮，結(jié)果導(dǎo)致電路板表面產(chǎn)生振動(dòng)并能夠聽到聲音。通常情況下，因?yàn)檫@種振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人耳可聽頻率范圍 (20 Hz～20 kHz)，所以即使向單體電容器施加人耳可聽頻率范圍的信號(hào)電壓，也不會(huì)形成人耳可聞程度的聲音 (嘯叫)。但是，如果將電容器封裝于基板，那么該振動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)至基板，振動(dòng)就會(huì)放大(諧振)。其結(jié)果是人耳可以感知到類似于“吱吱”的聲音。雖然芯片和基板的振幅僅為1 pm～1 nm左右，但其聲音卻大到人耳輕易識(shí)別的程度。

使用示波器實(shí)測(cè)車輛電池發(fā)現(xiàn)，電源處會(huì)有很強(qiáng)的多次諧波干擾信號(hào)，諧波頻率會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化而不同，此干擾信號(hào)正好為音域頻率20 Hz～20 kHz之間，其疊加到電源電池上，隨轉(zhuǎn)速噪聲幅值增大而增加，經(jīng)過轉(zhuǎn)速反復(fù)測(cè)試比對(duì)，此噪聲剛好與電源LC濾波電路形成正反饋共振，導(dǎo)致內(nèi)部濾波電容形成“壓電效應(yīng)”產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出嘯聲，所以在加油后轉(zhuǎn)速上升導(dǎo)致噪聲頻率增加使聲音變得尖銳。

2.2 車身搭鐵導(dǎo)致嘯叫

EMC干擾的耦合主要通過輻射和傳導(dǎo)的方式進(jìn)行耦合，其中公共阻抗傳導(dǎo)耦合是其中一個(gè)重要路徑，公共傳導(dǎo)耦合是指噪聲通過印刷電路和機(jī)殼的搭鐵線/設(shè)備的安全搭鐵線以及搭鐵網(wǎng)絡(luò)中的公共搭鐵阻抗產(chǎn)生公共節(jié)點(diǎn)阻抗耦合，噪聲通過電源的公共電源阻抗產(chǎn)生公共電源阻抗耦合，整車車身作為一個(gè)公共搭鐵，車身上走了各種電器件的電源搭鐵線和信號(hào)搭鐵，同時(shí)車身也不是絕對(duì)的導(dǎo)體，存在一定的阻抗，導(dǎo)致車身搭鐵存在電壓波動(dòng)。車身搭鐵電壓波動(dòng)如圖2所示。

圖2 車身搭鐵上采集的信號(hào)

波動(dòng)電壓經(jīng)過天線金屬底座到屏蔽線屏蔽層進(jìn)入到導(dǎo)航主機(jī)，流經(jīng)主機(jī)Tuner&DSP到功放傳到揚(yáng)聲器發(fā)出，如圖3所示。

3 整改方案

3.1 由于器件本身導(dǎo)致的干擾改善方案

由于正常發(fā)動(dòng)機(jī)怠速是沒有異常的，是在車速及轉(zhuǎn)速增大時(shí)才產(chǎn)生，應(yīng)該從電壓干擾方面來入手分析。采集發(fā)電機(jī)紋波，發(fā)現(xiàn)紋波在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，那么應(yīng)該是期間本身選型不合理導(dǎo)致的異常。

目前關(guān)于電容和電感的整改主要是通過提高電源的品質(zhì)和改善本體本身的性質(zhì)來解決此類問題，主要的整改方案如下。

圖3 典型的電磁干擾傳播途徑

1)更換同等容量、不同封裝的電容器件改善電感的工藝，能更好地濾除發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電源的干擾，解決本身壓氣效應(yīng)產(chǎn)生尖銳哨音現(xiàn)象，提高單件的抗干擾能力及性能，所以，EMC方面不會(huì)有任何影響，功能不會(huì)存在任何風(fēng)險(xiǎn)。比如將電容類型從陶瓷電容更換為鉭電容。鉭電容的構(gòu)造和陶瓷電容不同，不會(huì)產(chǎn)生電容嘯叫。

2)將電容/電感上大幅度變化的電壓信號(hào)消除或者將其頻率搬到人耳能聽得到的范圍以外，避免出現(xiàn)周期性的方波群落入音頻的范圍，從而避免電感的嘯叫?；蛘咴诩y波允許范圍內(nèi)，適當(dāng)降低紋波幅度，必要的話多加一級(jí)濾波。

由于車內(nèi)所使用電網(wǎng)的交流成分主要來源于發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的輸出大小和頻率會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變換而變化，所以采用的解決方案1)能更加簡(jiǎn)潔地解決當(dāng)前問題，將47 uF電解電容替代2顆22 uF陶瓷電容。如圖4、圖5所示。

圖4 電容改善前電路

圖5 電容改善后電路

同電容嘯叫的解決方案一致，車內(nèi)電源系統(tǒng)的改善會(huì)較為困難。若選用固體鐵粉磁芯電感扼流線圈，可以有效避免嘯叫發(fā)生。升級(jí)BOM，選用固體鐵粉磁芯扼流電感線圈，以避免由于內(nèi)部磁芯材料在磁場(chǎng)中受力振蕩產(chǎn)生嘯叫，如圖6、圖7所示。

圖6 電感改善前電路

圖7 電感改善后電路

3.2 由車身搭鐵導(dǎo)致的干擾改善方案

由于搭鐵線導(dǎo)致的問題主要的處理方案為：改善地平面或者變更耦合路徑，針對(duì)怠速、踩轉(zhuǎn)速、踩制動(dòng)、上電等情況，揚(yáng)聲器的嘯叫和雜音整改。由于各種電器件的搭鐵都直接或間接地搭鐵走向車身，導(dǎo)致車身搭鐵不穩(wěn)定存在壓差和波動(dòng)，改善車身搭鐵上的干擾會(huì)比較困難，所以通過對(duì)導(dǎo)航主機(jī)的搭鐵線進(jìn)行優(yōu)化，可以有效濾除車身上的波動(dòng)對(duì)揚(yáng)聲器造成的影響，消除嘯叫、雜音。讓干擾信號(hào)不經(jīng)過放大器，不進(jìn)行放大可以有效減少干擾信號(hào)的影響，如圖8、圖9所示。

4 結(jié)論

1)不同車型，發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)部件在電源中產(chǎn)生的干擾度不同，嚴(yán)重度也不同，只有將不同電子部件進(jìn)行加強(qiáng)優(yōu)化改善，有針對(duì)性改善，才能更好解決實(shí)際問題，積累更多的經(jīng)驗(yàn)。

圖8 改善前電路

圖9 改善后電路

2)對(duì)于電容/扼流電感線圈的選型，需要知曉其內(nèi)部工藝/材料/磁環(huán)存在卷繞成環(huán)與固體鐵磁芯兩種不同的工藝。單件的各項(xiàng)功能的驗(yàn)證必需以實(shí)車為基準(zhǔn)。

3)遵循就近搭鐵原則，避免單件的搭鐵線過長(zhǎng)導(dǎo)致的車身搭鐵上的干擾導(dǎo)入到單件中帶來的EMC問題。