車輛零部件電磁兼容設計與應用

林 森，劉保國，雒 拓，高 錦

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安710200）

零部件軍用電磁兼容考核標準為GJB 151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》，其中陸軍地面設備考核項目為CE102、RE102、CS101、CS112、CS114、CS115、CS116、RS103，共8項。CE102、RE102考核零部件發(fā)射指標是否合格，CS101、CS112、CS114、CS115、CS116、RS103考核零部件抗擾性指標是否合格。軍用車輛零部件考核指標要求嚴格，在產(chǎn)品開發(fā)過程中應重點設計，避免進入設計-試驗-整改-再設計的循環(huán)過程，耗費大量資金和資源，延長項目開發(fā)周期。

1 零部件電磁兼容性分析

通過對標準中試驗項目的理解，在產(chǎn)品的開發(fā)過程中應同時進行發(fā)射和抗擾性設計，圖1為多數(shù)電子控制器的結構圖。電子控制器由外殼、控制器蓋、PCB、安裝螺栓、連接器、殼體搭鐵點及連接線纜構成。

電磁干擾產(chǎn)生的三要素為干擾源、干擾途徑和敏感設備［2］。通過對控制器進行分析，控制器內(nèi)部電路板產(chǎn)生的空間輻射頻率大于1MHz，將從縫隙、孔洞直接輻射到外部空間，PCB線路上的無用信號將通過插接件連接的線纜輻射出去。對于1MHz以下的信號，由于頻率較低，只能通過傳導方式對外產(chǎn)生輻射，主要途徑是對外接口的線纜。抗擾的考核方式與發(fā)射相反，但路徑都相同，因此在設計過程中首先找出發(fā)射產(chǎn)生的源頭，通過濾波、屏蔽、布置等措施進行干擾抑制，在減少干擾的同時提高抗擾能力。圖1中潛在的電磁兼容問題位置見表1。

圖1 電子控制器結構圖

表1 控制器電磁兼容潛在位置

從表1可以看出，電磁兼容設計涉及結構、原理、PCB、器件等多學科領域，是一個跨學科綜合設計的過程，因此應掌握多領域基本知識去解決問題。

2 零部件電磁兼容設計方法

汽車零部件電磁兼容性設計主要包括五大部分。

1）電路圖電磁兼容設計：接口電路防雷擊、靜電與濾波組件的計算選型、信號線分類濾波和阻抗匹配處理、搭鐵線特性分類、電源特性劃分和濾波處理、芯片引腳特性校核及濾波處理等。

2）PCB電磁兼容設計：PCB疊層設計、元器件擺位設計、信號分類設計、信號布線設計等。

3）傳感器電磁兼容設計：屏蔽線束設計、濾波設計。

4）插接件選型：帶有屏蔽功能的金屬插接件設計評估。

5）殼體電磁兼容設計：法拉第籠式結構設計、殼體縫隙屏蔽設計、開孔位置屏蔽設計、殼體噴涂防護設計等。

按照零部件電磁兼容設計方法對控制器潛在電磁兼容風險點給出設計方案，見表2。在產(chǎn)品設計過程中根據(jù)電路、殼體、安裝位置進行方案合理應用，在初次設計完成后可解決90%電磁兼容問題。

表2 控制器電磁兼容解決方案

3 零部件電磁兼容設計應用

3.1 未考慮電磁兼容設計產(chǎn)品

某車輛使用的電子控制器，由于控制原理簡單，在設計過程中只完成了功能設計，未進行電磁兼容考慮，控制器外殼為塑料結構，PCB未進行布局考慮，在進行零部件電磁兼容試驗時，輻射發(fā)射超標嚴重，與預期一次性通過試驗的評估相差很大。圖2和圖3為10kHz~200MHz輻射超標圖。

圖2 10kHz~30MHz發(fā)射超標圖

圖3 30~200MHz發(fā)射超標圖

通過多次試驗驗證和問題排查，發(fā)現(xiàn)圖2中出現(xiàn)的6MHz、12MHz、18MHz等和圖3中36MHz、54MHz、66MHz等均為6MHz的倍頻，而此控制器使用的晶振是6MHz，因此這些頻點均由晶振引起，而圍繞晶振在設計過程中產(chǎn)生的潛在問題并未進行充分考慮，導致零部件超標嚴重。

3.2 正向電磁兼容設計開發(fā)

此控制器整體需求為：采用塑料外殼，電路功能由PCB實現(xiàn)，芯片由6MHz晶振驅(qū)動。此PCB工作頻率較高，應至少采用兩層板設計，對晶振、芯片及外圍電路進行詳細設計，優(yōu)化走線，避免線間耦合和串擾，同時對塑料外殼進行屏蔽處理減少空間輻射。控制器設計變更前后見表3。

通過從控制器需求出發(fā)，按照潛在電磁兼容問題點進行方案設計，通過對殼體、PCB、元器件進行設計和選型，圖4中左圖為新2層PCB設計及貼片元器件使用，右圖為噴涂導電漆后的殼體。

表3 控制器設計比對

圖4 新PCB及屏蔽外殼圖

設計完成的樣品功能正常，發(fā)射試驗一次性通過，達到設計要求。圖5和圖6為新設計樣件一次性通過10kHz~200MHz輻射發(fā)射試驗。

圖5 10kHz~30MHz發(fā)射通過圖

圖6 30~200MHz發(fā)射通過圖

通過對增加的成本進行核算，由于新設計產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，故障率低，返修率低，總體價格并未出現(xiàn)明顯增長。

4 結論

通過對車輛零部件進行研究，找出電磁兼容設計方法。首先應掌握法規(guī)和指標對產(chǎn)品電磁兼容性要求，然后對產(chǎn)品電磁兼容問題進行分類，有針對性地提出設計方案并實施，最后通過試驗驗證，證明方案可行性。正向開發(fā)的優(yōu)勢在于縮短試驗-整改-再設計的過程，提高設計效率和通過率，節(jié)約資金，減少資源耗費。