汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)控制器EMI測(cè)試與設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

李懷友

摘 要：本文研究了某型汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)控制器可能的電磁干擾源與針對(duì)EMI（電磁干擾）測(cè)試的設(shè)計(jì)方案，分析CE（傳導(dǎo)發(fā)射）與RE（輻射發(fā)射）測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)測(cè)試超標(biāo)頻段與導(dǎo)致測(cè)試超標(biāo)的原因，并提出了針對(duì)此次測(cè)試失效的控制器設(shè)計(jì)優(yōu)化整改方案。對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的控制器樣件再次進(jìn)行EMI測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的樣件完全滿(mǎn)足整車(chē)廠對(duì)電動(dòng)尾門(mén)控制器CE測(cè)試與RE測(cè)試在各頻段的限值要求。

關(guān)鍵詞：電磁兼容性EMC;電磁干擾EMI;傳導(dǎo)發(fā)射CE;輻射發(fā)射RE

1 引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步以及人們對(duì)汽車(chē)追求的不斷提高，汽車(chē)上為了增加汽車(chē)的控制便利性與舒適性的電子設(shè)備越來(lái)越多，使得車(chē)內(nèi)外的電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。在這復(fù)雜的電磁環(huán)境中如何減少電子設(shè)備相互間的電磁騷擾，如何使各電子設(shè)備安全可靠地工作成為了一項(xiàng)重要研究課題，于是一門(mén)新興的綜合性學(xué)科誕生了——EMC（電磁兼容性）。

電磁兼容主要研究的是如何使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電氣電子設(shè)備和元器件都能正常工作，互不干擾，達(dá)到兼容狀態(tài)。以保證電子設(shè)備不受電磁騷擾的影響而出現(xiàn)故障或性能降級(jí)。如何在設(shè)備與電磁環(huán)境之間尋求一種協(xié)調(diào)的關(guān)系和共存的條件，這就是電磁兼容性技術(shù)。它包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：1）EMI，指電子設(shè)備本身對(duì)其它電子設(shè)備的干擾;2）EMS，指電子設(shè)備自身抗外界電磁干擾的能力。干擾源、耦合通道與敏感設(shè)備是EMC的三要素，要提高汽車(chē)電子產(chǎn)品的EMC性能就需要從這三個(gè)方面入手。

本文基于標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204規(guī)定的測(cè)試方法與限制要求，研究某型汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)控制器的EMI（電磁干擾）測(cè)試設(shè)計(jì)方案，分析CE（傳導(dǎo)發(fā)射）與RE（輻射發(fā)射）測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)測(cè)試超標(biāo)頻段與導(dǎo)致測(cè)試超標(biāo)的原因，并提出了針對(duì)此次測(cè)試失效的控制器設(shè)計(jì)優(yōu)化整改方案，并對(duì)整改結(jié)果進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

2 汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)控制器硬件原理與可能干擾源分析

汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行控制汽車(chē)尾門(mén)的電動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)作，其所帶負(fù)載有四個(gè)：1）撐桿電機(jī)，尾門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)作的執(zhí)行部件，其運(yùn)行過(guò)程中可以調(diào)速，控制器輸出PWM驅(qū)動(dòng)波形對(duì)其進(jìn)行控制;2）卷緊條電機(jī)，尾門(mén)執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作時(shí)負(fù)責(zé)通過(guò)卷緊條把尾門(mén)拉到位關(guān)嚴(yán)然后再釋放卷緊條，其運(yùn)行過(guò)程中不需要調(diào)速，控制器輸出12V的直流波形對(duì)其進(jìn)行控制;3）尾門(mén)鎖塊，尾門(mén)解鎖與上鎖的執(zhí)行部件，上鎖時(shí)控制器輸出12V的高電平對(duì)其進(jìn)行控制;4）告警蜂鳴器，尾門(mén)執(zhí)行開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)作過(guò)程中鳴笛告警，其工作時(shí)控制器輸出固定頻率固定占空比的PWM波形對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。尾門(mén)控制器硬件電路可以分為以下幾個(gè)部分：1）電源進(jìn)線(xiàn)及濾波電路;2）LDO5V與CAN接口電路;3）MCU及其外圍電路;4）數(shù)字開(kāi)關(guān)量與模擬信號(hào)采集電路;5）撐桿電機(jī)、卷緊電機(jī)與鎖塊驅(qū)動(dòng)電路;6）蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路。

縱觀控制器的整個(gè)原理圖我們可以發(fā)現(xiàn)，在芯片及關(guān)鍵元器件的選型上我們都嚴(yán)格遵守EMC設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，例如有源芯片的選型在滿(mǎn)足功能的前提下優(yōu)先選擇低電壓、低電流、低頻率、低變化速率的器件，因此芯片應(yīng)該不會(huì)對(duì)EMI測(cè)試造成困擾。在控制器整個(gè)硬件系統(tǒng)可能會(huì)成為對(duì)EMI測(cè)試結(jié)果有影響的干擾源有以下幾處：1）MCU的晶振信號(hào)，高速的正弦波信號(hào)，頻率8MHz，小功率信號(hào);2）蜂鳴器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，頻率為2KHz的PWM波信號(hào)，小電流信號(hào);3）CAN總線(xiàn)信號(hào)，頻率為500KHz，高速數(shù)字信號(hào);4）撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，頻率為8KHz的PWM波，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)15A的大電流信號(hào)。

3 汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)控制器EMI測(cè)試超標(biāo)分析

標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204中對(duì)CE（傳導(dǎo)發(fā)射）要求如下：1）測(cè)試程序基于CISPR25標(biāo)準(zhǔn);2）測(cè)試頻帶為100KHz-108MHz;3）對(duì)測(cè)試結(jié)果的要求為在峰值檢測(cè)模式和平均值檢測(cè)模式下（如沒(méi)有特別說(shuō)明）人工電源網(wǎng)絡(luò)終端的測(cè)量值不應(yīng)當(dāng)超過(guò)表1中所示下列值（必須滿(mǎn)足峰值要求和平均值要求）：

CE測(cè)試結(jié)果顯示在100KHz-700KHz頻帶均值超標(biāo)，最高超了10 dBμV。在100KHz-700KHz頻段出現(xiàn)的騷擾信號(hào)主要是差模干擾，在排查時(shí)發(fā)現(xiàn)其它幾處的疑似干擾源信號(hào)的有無(wú)對(duì)測(cè)試結(jié)果沒(méi)有什么影響，唯獨(dú)當(dāng)有撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)測(cè)試超標(biāo)現(xiàn)象就重現(xiàn)，而當(dāng)沒(méi)有撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)測(cè)試超標(biāo)現(xiàn)象就消失，測(cè)試結(jié)果與背景噪聲差不多。由以上分析可以確認(rèn)造成CE測(cè)試超標(biāo)的干擾源為撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204中對(duì)RE（輻射發(fā)射）要求如下：1）測(cè)試程序基于CISPR 25標(biāo)準(zhǔn);2）測(cè)試頻帶為100kHz-2.5GHz;3）對(duì)測(cè)試結(jié)果的要求為在峰值檢測(cè)模式和平均值檢測(cè)模式（如果沒(méi)有特殊說(shuō)明）的測(cè)量值不應(yīng)當(dāng)超過(guò)表2中所示下列水平（峰值要求與平均值要求兩者都要求滿(mǎn)足）：

RE測(cè)試結(jié)果顯示在100KHz-2MHz頻帶均值超標(biāo)，最高超了10 dBμV。在100KHz-2MHz頻段出現(xiàn)的騷擾信號(hào)主要是差模干擾信號(hào)，在排查時(shí)發(fā)現(xiàn)其它幾處的疑似干擾源信號(hào)的有無(wú)對(duì)測(cè)試結(jié)果沒(méi)有什么影響，唯獨(dú)當(dāng)有撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)測(cè)試超標(biāo)現(xiàn)象就重現(xiàn)，而當(dāng)沒(méi)有撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出時(shí)測(cè)試超標(biāo)現(xiàn)象就消失，測(cè)試結(jié)果與背景噪聲差不多。由以上分析可以確認(rèn)造成CE測(cè)試超標(biāo)的干擾源為撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4 控制器EMC設(shè)計(jì)優(yōu)化與測(cè)試驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)上述測(cè)試分析得知，造成控制器CE測(cè)試與RE測(cè)試超標(biāo)的禍?zhǔn)资菗螚U電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的噪聲干擾。由于前期為了控制器的設(shè)計(jì)成本控制器的撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口與控制器電源端口僅做了簡(jiǎn)單的濾波處理，故無(wú)法達(dá)到遏制騷擾噪聲的目的（見(jiàn)圖1、圖2、圖3與圖4）。

為此本人從減小干擾源發(fā)射強(qiáng)度與切斷干擾源的傳播途徑兩個(gè)方面提出了以下幾個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施：1）優(yōu)化撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，特別是驅(qū)動(dòng)MOS管周?chē)娐返脑O(shè)計(jì)。例如在滿(mǎn)足MOS功耗溫升允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大MOS柵極電阻的阻值以此來(lái)減小MOS管導(dǎo)通速度，減小PWM波形上升沿的過(guò)沖，進(jìn)而減小PWM波產(chǎn)生的諧波干擾噪聲;2）優(yōu)化PCB層疊設(shè)計(jì)，建議PCB的層疊設(shè)計(jì)改為第一層（TOP層）為信號(hào)層、第二層（Inner_1層）為地GND層、第三層（Inner_2）為信號(hào)層、第四層（Inner_3層）為電源POWER層、第五層（Inner_4層）為地GND層與第六層（Bottom層）為信號(hào)層，這樣有助電源層和地線(xiàn)層緊密耦合減少板子對(duì)外界的輻射干擾。另外，每個(gè)信號(hào)層都與內(nèi)電層直接相鄰，與其他信號(hào)層均有有效的隔離，不易發(fā)生串?dāng)_;3）TOP層與Bottom層要包地處理，同時(shí)電源和GND要注意隔離，可以用殼體地進(jìn)行隔離;4）電源層也要內(nèi)縮包地處理，同12V電源系統(tǒng)、每種5V電源系統(tǒng)之間要用GND隔離處理;5）電源線(xiàn)與地線(xiàn)盡可能布寬一些，減小電源回路的布線(xiàn)阻抗;6）優(yōu)化撐桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)端口的濾波電路設(shè)計(jì)，在電機(jī)端口電機(jī)正負(fù)極對(duì)地及兩級(jí)之間增加陶瓷貼片濾波小電容，改變干擾噪聲信號(hào)的回流路徑以減小對(duì)外輻射的強(qiáng)度;7）優(yōu)化控制器電源端口濾波設(shè)計(jì)，在電源回路中串入差模電容，防止干擾噪聲通過(guò)電源線(xiàn)輻射出去。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的樣件原理圖（見(jiàn)圖5、圖6、圖7與圖8）;8）軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化，為了減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)外界的噪聲干擾，在滿(mǎn)足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，頻率建議由目前的20KHz減小到16KHz或者12KHz，并采用擺頻技術(shù)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由固定頻率變?yōu)樵?2KHz至16KHz頻段內(nèi)按照一定規(guī)律周期性來(lái)回變化，減弱驅(qū)動(dòng)信號(hào)在某一頻點(diǎn)噪聲的強(qiáng)度。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的樣件控制器樣件再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示CE與RE前期測(cè)試超標(biāo)的頻段現(xiàn)在測(cè)試在相應(yīng)頻段的噪聲最大幅值現(xiàn)在都回到了標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204要求的限值以下（見(jiàn)圖9、圖10），受測(cè)樣件滿(mǎn)足了標(biāo)準(zhǔn)EQC-1204在CE測(cè)試與RE測(cè)試在各個(gè)頻帶的限值要求，順利地通過(guò)了EMI測(cè)試。說(shuō)明了優(yōu)化設(shè)計(jì)措施有效，樣件的EMI性能優(yōu)異。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)汽車(chē)電動(dòng)尾門(mén)控制器的EMI測(cè)試與設(shè)計(jì)優(yōu)化方案進(jìn)行了研究，分析了測(cè)試超標(biāo)的原因，提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化的整改措施，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證取得了良好的效果，豐富了汽車(chē)電子模塊EMC設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其它類(lèi)似的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與EMI測(cè)試整改有著重要的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭軍奇.電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.