汽车电子装置可靠性设计课件.ppt

哈尔滨工业大学 罗念mlog 2007 8 汽车电子研究室第2页 汽车电子装置可靠性设计 汽车电子装置的应用环境可归为三大类 大气物理环境机械物理环境电磁物理环境本章旨在分析汽车电于装置的应用环境及其可靠性设计和试验 汽车电子研究室第3页 1汽车电子装置的应用环境 影响汽车电子装置工作性能的大气物理环境主要有 温度 湿度 浸水 结冰 盐雾 尘沙及大气压等其中最普遍 危害最大且无法回避的是温度 湿度环境 汽车电子研究室第4页 1 1温度 湿度环境 汽车电子装置的温度 湿度既受车外大自然的气候影响 也因其在汽车内所处的工作部位不同而存在极大的差异 其最低温度就是外部的自然温度 而最高温度则因其工作部位及工作状态的不同而不同 自然界的温度 因季节和地城的不同有很大的差别 我国的自然温度最高为50 最低为 40 世界上有记录的自然温度最高为57 最低达 83 在汽车内部 由于发动机工作时的热排放 触点电火花 机械接触件的热磨擦 电子的热运动等诸多因素 使得车内电子装置的工作温度总是高于车外的自然温度 且外部温度越高 散热越困难 车内的温度也就越高 汽车内各部位的温度还与车型及车况有关 例如 汽车爬坡或加速时 温度升高 汽车怠速时 温度降低 若汽车停车时发动机仍以怠速运转 如果冷却系工作不良 发动机室的温度将迅速上升到比行车时还要高 车内温度变化最快的是汽车刚起动的一段时间 约十几分钟 温度急剧上升 汽车电子研究室第5页 1 1温度 湿度环境 显然汽车内各部位的温度和湿度是个随机变量 各类车的车内最高温度也没有统一的标准 但是 为了规范汽车电子装置的温度和湿度环境 作为耐环境设计和试验标准 各行业都颁布有相应的标准 表9 1日本JASO提供的汽车各不同工作部位最高测试温度极限值 JASO 日本汽车标准组织 汽车电子研究室第6页 表9 2美国SAE汽车各不同工作部位最高测试温度极限值 SAE 美国汽车工程师协会 1 1温度 湿度环境 汽车电子研究室第7页 1 1温度 湿度环境 温度和湿度对电子产品的影响通常都不是独立的 其结果都是使得绝缘破坏 机件腐蚀和材料性能劣化 产品的工作可靠性降低 老化速度加快 在一定的温度下 湿度越大 即水分子越多 对电于产品的浸蚀越严重 在一定的湿度下 温度越高 水分子活化能量越大 对电子产品的渗透力越强 对于不同活化能量的电子产品 温度引起名化速度可由阿尼斯 Arrhenius 动力学平衡方程式估算 t 老化时间 h C 老化常数 C 2 3x104 c 活化能量 电子伏特 b 波尔兹曼常数 b 1 38x10 3 J K T 绝对温度 K 汽车电子研究室第8页 1 1温度 湿度环境 电子产品的老化时间随温度T的升高而减小 即是说 温度越高 老化的速度越快 表给出的是在不同活化能量E下 温度由T0 此温下设定老化速度为1 上升到T1时 产品老化 以相对于T0时老化速度的倍数计 加速情况 由表可知 水分子活化能量越大 电子产品的工作温度越高 产品老化速度的加速倍数就越大 汽车电子研究室第9页 1 1温度 湿度环境 表给出的是温度变化时 水分子几个主要特性参数变化情况 其中与产品老化有关的是内扩散系数 显然 温度越高 内扩散系数超大 产品老化速度越快 汽车电子研究室第10页 1 1温度 湿度环境 汽车电子装置的温度 湿度试验分室内和室外两种方式 室内试验是一种模拟环境试验 即根据产品工作的温度 湿度变化范围 在规定时间内连续工作于最高温度 湿度下和最低温度 湿度下 以测试产品的耐温度 湿度的性能 汽车电子产品在装车前都必须按相关的标准和测试方法进行这项试验 室外试验是电子装置装车后进行的工况环境适应性试验 这种环境适应性试验可根据汽车温湿度环境要求 选择相应的寒带 热带的野外进行 为了规范测试 各国都建有专用的低温 高温试验场 例如美国通用汽车公司 GM 在加拿大的安大略省巴斯加市设置有低温试验场 而在美国亚利桑那州的麦塞市设置有高温沙漠试验场 能提供比较规范的野外工况试验 汽车电子研究室第11页 1 1温度 湿度环境 图为美国SAE制定的一种室内试验方案 试验最低温度为 40 最高温依受试产品在汽车内工作部位按表9 2选取 湿度按相对湿度RH的百分比选取 汽车电子研究室第12页 1 1温度 湿度环境 除温度 湿度环境外 下列环境对汽车电子装置也有明显的影响 浸水及结冰 汽车在雨天行驶或经过水洼地段时 各部位会不同程度地被水浸湿 若是寒冷的冬季 浸湿部位很容易产生结冰 为检验产品对浸水及结冰的承受能力 应进行浸水及冰冻室内模拟试验 盐雾 在沿海地带 海风中含有大量的盐雾 在积雪地方有时为了防止结冰 在道路上撒盐 汽车在这些地段行驶时 电子装置将会受到盐雾的侵蚀 为了检验电于装置受盐雾侵蚀而拒腐蚀能力 应在室内对汽车电子产品进行5 盐水喷雾试验 尘沙 灰尘及风沙会引起一些电器触点接触不良 沉积在元器件表面上的灰沙 吸湿后还会引起漏电现象 为检验电子装置对尘沙的承受能力 应按产品工作部位的尘沙环境作相应的风沙模拟试验 海拔高度 在高海拔地区 由于大气压降低 可能引起某些传感器工作性能变坏 因而对包含有与大气压相关的传感器的电子装置 应作高海拔试验或在产品设计时予以考虑 油污 汽车内的机油 汽油 黄油及大气中的有害化学分子对电子装置的侵蚀 会引起电子器件 导线 接插件腐蚀变质 加速老化 应在产品设计及安装时予以重视 采取一定的防范措施 汽车电子研究室第13页 1 2机械物理环境 机械物理环境对汽车电子装置的影响主要表现在汽车行驶过程中 由于路面不平及汽车起动 加速 急刹车等原因 引起的振动和冲击 汽车电子装置所承受的振动及冲击是随机的 可用加速度g的均方根值来描述 汽车内各不同部位所产生的振动及冲击强度不一样 因而对不同部位的电子装置的振动试验条件也不一样 汽车电子研究室第14页 1 2机械物理环境 表9 5是美国通用汽车公司推荐的振动试验条件 可供参考 汽车电子研究室第15页 1 2机械物理环境 振动强度A越大 老化的速度越快 即振动试验所需的老化时间t越小 振动对汽车电于装置可靠性的影响 一般可用下式表示 t 老化时间 b 正常数 C 正温度系数 A 振动强度或电压值 汽车电子研究室第16页 1 3电磁物理环境 电磁物理环境是对汽车电子装置最具威胁的工作环境 其主要原因是汽车电系存在着不稳定的电源电压 各种形式的电路瞬变过电压及强辐射的电磁波等 对工态下的汽车电子装置产生干扰 电源电压异常工态下 汽车足靠蓄电池与发电机并联供电 以标称电压为12V的汽车电系为例 正常电压一般为10 16V 但是电源常出现超过此电压范围的异常电压 当部分亏电的蓄电池在低温下起动时 其端电压可能降到7V左右 当发电机调节器发生故障 激磁电流不经过调节器而直接加到激磁绕组上时 可使发电机输出电压上升至18V 若此18V电压对蓄电池充电 可能导致蓄电池电解液沸腾 蓄电池端电压可能上升到70V以上 汽车在修理过程中 若误将蓄电池极性接反 致使电路承受 12V电压等 汽车电子研究室第17页 1 3电磁物理环境 对于上述这些异常电压的出现 要求汽车电子装置不至被损坏 工作的可靠性不至受到严重影响 为此一方面要在电路设计上采取相应措施 减少异常电压出现 并限制其电压波动幅度 另一方面要提高电子装置耐异常电压能力 并在汽车电子装置装车前应作异常电压试验 表9 6是美国SAE推荐的异常电压允许值 汽车电子研究室第18页 1 3电磁物理环境 电路瞬变过电压汽车电系内由于存在大量的电感元件 在换路瞬间 这种储能元件所产生的电磁感应现象会在部分电路中出现瞬时高电压 这种瞬时电压都具有脉冲性质 且能量较大 可能导致部分电路功能失常 甚至使某些元器件永久性损坏 电路瞬变过电压的类型很多 但可规范为发电机抛负载 电感负载断路 激磁衰减及电磁耦合等四种方式 它们对电路形成的电压冲击亦具有式 9 2 所示的逆幂律性质 表9 7是SAE推荐的汽车电子产品耐这类瞬变过电压的试验条件 汽车电子研究室第19页 1 3电磁物理环境 电磁干扰 EMI 汽车电子装置工态下除受上述异常电压和瞬变电压的干扰之外 还面临看来自车内外的各种电磁波的辐射干扰 它们也在不同程度地影响着电子装置的正常工作 汽车电子研究室第20页 2汽车电磁干扰源分析 现代汽车的车载电子装置越来越多 汽车电系已成为强电与弱电交叉 机械与电子一体化的典型产物 使得来自汽车内 外的电磁噪声对车载电子装置形成电磁干扰 相对而言 车内的电磁干扰源对车载电子装置工作的可取性影响较大 本节特论述车内几个主要的干扰源形成机理及其特征 汽车电子研究室第21页 汽车电系电磁干扰源 来自汽车外部的电磁噪声源主要有 雷电 雷达 电台用无线电发射机 高压输电线的电晕放电 荧光灯的辉光放电 探照灯的弧光放电及其它车辆 飞机 舰船发动机点火等 这些噪声源产生的电磁躁声以电磁波的形式对汽车电系形成辐射干扰 来自汽车内的电磁噪声源主要有 发动机点火 各类开关触点之间的间隙放电 电路瞬变 电磁耦合及静电放电等 这些噪声源所产生的电磁噪声 一部分在汽车电系内通过导体及器件传播 对车内敏感的电子器件形成传导干扰 另一部分向空间辐射 对车外的电磁环境产生污染 汽车电子研究室第22页 2 1供电系电磁干扰源 汽车供电系存在着电源异常电压 电路瞬变过电压及开关触点间隙火花放电等电磁干扰源 其中电路瞬变过电压主要发生于发电机抛负载和发电机磁场突然衰减时 汽车电子研究室第23页 图中发电机被等效为一个电感L和电动势E的串联电路 负载则等效为支路电阻R1和R2并联 发电机输出电流RL I1 I2 设R2为被抛的大负载 即R2 I1 当开关K突然断开时 电路换路引起电流IL产生瞬变 在负载Rj上产生的过电压为 发电机电枢统组上的感应电流为 2 1供电系电磁干扰源 发电机抛负载瞬变发电机在正常工作时 若负载突然减小或完全无负载 则发电机由于输出电流急剧下降 在发电机电枢绕红上产生正向瞬变过电压 其等效电路如图9 2所示 汽车电子研究室第24页 2 1供电系电磁干扰源 显然 发电机抛负裁瞬变电压UL 是一个正向指数脉冲电压 其前沿较陡 约50 100us 后沿按指数规律下降 衰减时间约150 350ms 抛负载瞬变电压的幅值主要决定于抛负载程度 即R1 R2比值的大小 通常可达75 125V 最严重的抛负载瞬变发生于发电机满载运行时与蓄电池的连接断开状态下抛负载 此时电枢绕组上产生较大的能量泄放 对R1支路上的电子器件形成较强的冲击 必须设法使其安全泄放 汽车电子研究室第25页 2 1供电系电磁干扰源 激磁衰减瞬变当发电机激磁绕组电路故障开路 或因点火开关断开切断激磁电流回路时 在激磁绕组上将产生磁场衰减瞬变过电压 此瞬变过电压为一负向指数脉冲 脉冲的幅值取决于换路瞬间的电路及调节器状态 其幅值可达120V左右 前沿约5 10ms 衰减时间约200ms 对调节器中的敏感器件构成威胁 汽车电子研究室第26页 2 2点火系电磁干扰源 汽车内部最强的电磁干扰源是点火系 汽车发动机点火时 点火线圈初次级瞬变电压很高 对车载电子装置产生很强的传导干扰 同时 由于火花塞电极放电强烈 对周围的空间形成很强的电磁辐射 汽车点火系等效电路如图9 3所示 I1为触点闭合时点火初级绕组电流触点断开时 I1上升到IP I2是触点断开后点火次级绕组的放电电流 IL为初级绕组剩余磁场形成的电感放电电流 IC为次级高压回路分布电容形成的电容放电电流 触点断开后I2 IL IC 在初次级线圈产生高压 汽车电子研究室第27页 2 2点火系电磁干扰源 断电器触点打开瞬间 初级绕组感应电压幅值可高达300V以上 前沿约60us 脉宽约300us 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 甚至通过信号线对其它系电子装置的正常工作形成传导干扰 断电器触点打开瞬间 次级绕组感应电压幅值可高达25kv以上 形成足够的点火电压和点火能量 使火花塞电极间隙击穿 产生强烈的火花放电 在高压放电回路中形成陡峭的放电电流I2 此放电电流由IL和IC组成 其中IC数值大时间短 IL数值小而时间长 并伴随有高频振荡 火花放电将产生约0 15 1000MHz的宽带电磁波 对车内及车外数十米以内的电子装置的正常工作产生强烈的辐射于扰 汽车电子研究室第28页 2 3感性负载瞬变干扰源 汽车电系内存在着大量的感性负载 如各种电动机 继电器 电磁阀 电喇叭等 其线圈在开路瞬间 都会成为一种宽频谱 大能量的瞬变干扰源 这种瞬变脉冲不但具有浪涌性质 而且具有丰富的谐波 可能引起电子控制系统的逻辑错误 甚至导致部分敏感器件或固体组件的损坏 图9 4是模拟感性负载开路瞬变的等效电路及其反向瞬变脉冲电压的波形图 当继电器触点J打开时 原负载RL上的电流被突然中断 在电感两端产生反向瞬变电压 其峰值可达工态直流电压的几十倍 并向线路的分布电容CP充电 形成RLC串联振荡电路 汽车电子研究室第29页 2 4触点放电干扰源 汽车电系内分布有大量的触点 它包括开关触点 继电器触点 整流子电机的电刷与整流子间触点等 这些触点都是用来通断电流的 但在其要开未开 或要闭未闭瞬间 都会产生程度不同的火花放电现象 这种触点间放电能量虽然比火花塞电极放电能量小得多 但其放电瞬间的能量密度通常可达到造成危害的程度 汽车电子研究室第30页 2 4触点放电干扰源 冲击电压峰值可高达上千伏 衰减振荡 振荡频率约0 1 500MHZ 初始脉冲的前沿只有几个纳秒 图9 5是模拟串激式直流电动机开关触点干扰源 这里的触点K指的是电刷与整流子问间隙触点 电动机旋转时 此触点K不断地接通和断开 电机绕组中的电流断续变化 从而产生瞬变电流和电压 此瞬变电压反作用于电源电路 在电源引线电感LP和电容CP上形成陡峭的高频振荡冲击电流和电压 这种火花放电和高频振荡不但产生辐射干扰 同时可通过电源线对其它电路产生传导干扰 汽车电子研究室第31页 2 5静电干扰源 静电产生的机理是两种不同物质相互摩擦时 会在两物体间引起电子及离子的移动 其结果 使得两物体的表面分别带上正电荷和负电荷 称其为静电 汽车在行驶时 车轮与地面的摩擦 车身与空气的摩擦 气流与气管壁的摩擦 机架与支承间的摩擦 乘员衣服与座垫间的摩擦 工作服与内衣间的摩擦等 都可能是静电干扰源 静电电量很小 一般为1mC以下 但静电电压很高 最高可达上万伏 汽车电子研究室第32页 表9 9为质地不同的工作服与内衣摩擦时人体所带静电电压值 如此高的静电电压必然产生静电放电 静电放电火花及瞬时放电电流将产生电磁辐射和传导于扰 汽车电子研究室第33页 2 6电磁耦合干扰源 汽车电系内存在着大量的成束包扎的导线及多点搭铁的地回路 较长的无屏蔽配线及搭铁阻抗在汽车电系内产生磁感应耦台和电容耦合 耦合噪声电压最高幅度可达200V以上 持续时间可达300ms 对部分电子装置工作的可靠性产生干扰 尤其对车载电子仪器和仪表的正常工作影响较大 平行两根导线 电磁耦台噪声电压 两导线电磁耦台噪声电压为同时由于多点搭铁形成共同的阻抗通道 当一条导线上的电流通过共阻抗通道时 也会在另一条导线上产生共阻抗耦合干扰 L 长度 d 中心距离为M 两导线间的互感IN 噪声电流 fN 噪声频率 汽车电子研究室第34页 3汽车电磁兼容性测试 为了定量地分析汽车电系电磁干扰强度及汽车电子装置或器件抗干扰能力 需要科学地测试电磁发射量和敏感度 发射量测试是对汽车电系各种电磁干扰源发射电磁能的大小和属性进行测试 它包括传导发射测试和辐射发射测试 敏感度测试是对各汽车电子装置或器件抵御外来电磁干扰能力进行测试 亦包括对传导发射敏感度的调试和对辐射发射敏感度的测试 EMC 电磁兼容 EMI 电磁干扰 EMS 电磁相容 汽车电子研究室第35页 3 1电磁干扰测试 电磁干扰测试包括传导干扰测试和辐射干扰测试 这些测试都必须按照某一公认的测试方法进行 传导干扰测试传导干扰测试即是对可能形成传导干扰的干扰源电磁发射量的测试 汽车电系内大多数电磁干扰源都可能对车载电子装置或器件形成传导干扰 尤其是各种瞬变电压干扰危害极大 对这些瞬变电压的测试可参照ISO和CISPR等 见附录 有关标准进行 图9 6中的电阻及用来模拟车上与被测设备并联的其他设备的直流电阻 ISO7637中给出的推荐值为40 图9 8所示的人工电源网络阻抗特性曲线是在A B间短路时P B之间的阻抗 汽车电子研究室第36页 3 1电磁干扰测试 瞬变电压调试是在实验室模拟汽车工况的试验台上进行 人工电源网络 AMN 又叫线路阻抗稳定网络 LISN 作用是 将被测设备与电源隔离 防止来自电源侧的干扰进入校测设备 保证干扰测试记录仪器接收到的干扰只来自被测试设备本身 人工电源网络在实验室条件下代替汽车线束阻抗作为参考标准 使呈现在被测试设备输入端的阻抗保持规定的特性 即保证在测试时具有统一固定的线路阻抗 从而使测试结果具有可相比较的意义 人工电源网络的阻抗参数应适应不同的频率范围作相应调整 即在规定的频率范围内提供规定的阻抗 人工电源网络还必须可靠接地 为防止网络输出入线间的耦合 布线时应注意两者隔离 不得交叉走线 汽车电子研究室第37页 3 1电磁干扰测试 传导干扰还可以采用电流法进行测试 国标GB和CISPR测量传导发射量用电压法 军标GJB则采用电流法 测量传导干扰电流时线路阻抗十分重要 此时线路阻抗稳定网络是采用专用的10uF穿心电容器 此电容器起稳定电源阻抗及隔离电源与被测设备之间相互干扰的作用 穿心电容器中心电极引线与信号线串联 其引线电感将穿心电容器转换为一个低通T形滤波器 如图9 10所示 穿心电容器非常适用于抑制电磁干扰 常用于非屏蔽与屏蔽或屏蔽与屏蔽的界面处 在传导干扰及敏感度测试中 常用10uF穿心电容器作为电源线滤波 汽车电子研究室第38页 3 1电磁干扰测试 辐射干扰测试辐射干扰测试是对可能形成辐射干扰的干扰源电磁发射量的测试 这种测试是在屏蔽室或开阔场地 3m 10m 30m 上进行 对辐射干扰测试的目的是在于保护外界环境中的无线电接收机及其它敏感设备 以及保护安装于同一辆车上的接收机免受车内的辐射发射量的干扰 按CISPR要求 辐射干扰测试首先应按被测设备的大小来确定测量距离 从接收天线的中心至被测设备外表的距离 小型被测设备的测量距离选3m和10m 大型被测设备的测量距离选30m乃至100m 第二步应找出被测设备的最大辐射方向 因为所测的辐射场强必须是该测量距离下的最大辐射场强 为了找出最大辐射方向 对于小型被测设备 可将其置于能转动的调试平台上 旋转平台 很容易找出最大辐射方向 然后调节接收天线的高度 对于大型被测设备 特别是高频设备 需靠移动接收天线和测试仪表来寻找最大短射方向 汽车电子研究室第39页 3 1电磁干扰测试 辐射干扰测试室内测试应在电波暗室内进行 电波暗室是内壁布满电磁波吸收材料的屏蔽密封空间 使入射到壁面上的电磁波不会发生反射而影响测量结果 室外测试应选择没有电磁波反射物的空旷露天场地 被测设备发射出的电磁波通常是宽带场强 不同频段场强的有效接收应选配不同的接收天线 故采用多种天线以供选择 并由切换开关单元根据控制单元的指令加以切换 目前国际上最著名的辐射干扰测试设备生产厂家是德国的Rohde Sehwarz公司 它能提供各频段场强调试的全套设备 世界上有关汽车辐射干扰标准已有很多 但大多源于CISPR出版物 我国1992年颁布的GB14023 92即源于CISPR的12号出版物 车辆 机动船和火花点火发动机驱动装置无线电干扰特性的测量方法及允许值 这是一个整车辐射发射量的测试标准 作为我国的一个强制性国家标准 对汽车向周围环境辐射的电磁波作了限制 以保护附近的广播电视接收机的正常工作 测试的频率为30 1000MHz 测试用接收天线与车辆之间的距离为10m CISPR25号出版物是对车上电子电气设备150K 1000MHz频段内的宽带与窄带无线电干扰的测试方法和允许值作了规定 目的在于防止安装于车上的收音机 电视机 无线电话等免受同一辆车上的部件产生的辐射干扰的影响 宽带干扰源包括点火系 发电机 雨刮马达 空气压缩机 车窗升降马达等 窄带干扰源主要是微处理器 振荡器和时钟发生器等 汽车电子研究室第40页 3 1电磁干扰测试 电磁干扰测量仪电磁干扰信号波形有多种形式 且大多带有脉冲性质 用一般的正弦波或调制正弦波测量仪器 很难获得较精确的测量结果 目前可用于电磁干扰信号波形的测量仪主要有干扰测量仪 频谱分析仪 记忆示波器和瞬态记录仪 除第一种干扰测量仪外 另三种都是通用的测量仪 它们用于干扰测量有各自的特点 汽车电子研究室第41页 3 2电磁敏感度测试 电磁敏感度调试是检查电子装置或器件对电磁干扰敏感程度的测试 通常以使电子设备发生故障的电磁干扰量的最小值作为敏感度数值 如果校澜设备的敏感度数值大于实际作用于该设备的电磁干扰量 则它能在该电磁环境中正常工作 电子设备的敏感度数值越大 说明该设备的抗干扰性能越好 电磁敏感应测试包括传导敏感度测试和辐射敏感度调试 传导敏感度测试传导敏感度测试一般在实验室内进行 汽车电系内各种传导干扰信号可用干扰模拟器来模拟 耦合到器件或设备的一定部位 根据被测设备工作是否正常来确定该设备的传导敏感度 汽车电系内各种传导干扰信号中影响较大的是各种瞬变脉冲信号 这些信号的耦合机理 传递特点等许多问题的认识和理解各国还不完全一致 但作为敏感度测试的模拟信号各标淮组织 ISO SAE DIN和EEC 的认识基本一致 主要的瞬变脉冲信号有如下几种 汽车电子研究室第42页 Pulse1 模拟感性负载从电源上断开时 与该感性负载并联的设备上所承受的负向瞬变指数脉冲电压 Pulse2 模拟感性负载电流突然被切断时 与该感性负载串联的设备上所承受的正向瞬变指数脉冲电压 Pulse3 模拟开关断开时 由于分布电容和电感的影响所产生的正 3b 负 3a 开关脉冲串 Pulse4 模拟发动机起动时 由于起动电动机的接人而引起的电源电压瞬时跌落 Pulse5 模拟发电机正常工作时 由于突然抛负载所产生的正向瞬变指数脉冲电压 Pulse6 模拟点火线围初级绕组中的电流突然被中断时所产生的正向瞬变指数脉冲电压 Pulse7 模拟发电机激磁磁场突然衰减时所产生的负向瞬变指数脉冲电压 汽车电子研究室第43页 3 2电磁敏感度测试 图9 12为电源线和信号线传导敏感度测试电路 对于某一被测设备 应只选取在汽车工况下该设备实际可能承受的瞬变脉冲对其进行测试 测试结果经衰减器送监视器指示 汽车电子研究室第44页 3 2电磁敏感度测试 脉冲干扰模拟器脉冲干扰模拟器也叫干扰脉冲发生器 能按照标准规定模拟输出上述某一种或几种脉冲波形 目前国际市场上有指数脉冲和矩形脉冲两种于扰模拟器 矩形脉冲上升沿时间小于指数脉冲上升沿时间 输出脉冲频谱较宽 但电路结构复杂 一般供研究电子设备敏感度使用 通常检验电子设备的敏感度采用指数脉冲干扰模拟器 图9 13所示矩形与指数形两脉冲的等价关系 汽车电子研究室第45页 3 2电磁敏感度测试 指数形脉冲可通过电容放电产生 E为高压电源 当TI合T2开时 电容C充电到UC E 当T1开T2合时 电容C放电 电阻负载RL上获得的电压为指数脉冲 放电的时间常数 当Ri RL时 负载RL初始电压1 2E 脉冲宽度tp为负载电压由UP降到1 2Up的时间 经计算可得 一般取1us 负载电压上升时间取决于放电电容C和配线分布电感 为模拟配线阻抗 可取Ri 50 汽车电子研究室第46页 3 2电磁敏感度测试 矩形脉冲可通过同轴电缆放电产生 其储能元件为同轴电缆 利用电缆芯线与屏蔽层间的电容来储能 特性阻抗Z0为50欧姆 电缆芯线经充电电阻R充电到UB E 开关T闭合时 若RL Z0 则UB突然由E降到1 2E 等效于在B点接人 E 2 的电压 此电压以电磁波速度传到A点 由于R Z 相当于开路状态 入射至A点的电波全部反射回B点 与B点原E 2电压叠加后 使UB 0 所以在负载上形成矩形脉冲 其幅值Ut E 2 脉冲宽度tr 2l v l为电缆长度 v为电磁波在电缆中的传播速度2x105m s 脉冲上升时间可达1ns 每米电缆所对应的脉宽为10ms 汽车电子研究室第47页 3 2电磁敏感度测试 在我国市场上用于汽车电子装置传导干扰敏感度测试的主要是瑞士夏弗纳 SCHAFFNER 公司生产的系列指数波脉干扰模拟器 该公司的NSG5000系统具有程控功能 采用WINDOWS系统软件控制 可按标淮需要模拟输出各种测试脉冲 近几年来国内也有不少单位从事干扰模拟器的研究 武汉汽车工业大学研制的汽车传导干扰模拟器亦具有程序控制功能 汽车电子研究室第48页 3 2电磁敏感度测试 辐射敏感度测试辐射敏感度测试系统一般由场强激励器 信号发生器 功率放大器 发射天线 场强检测设备 场强探测器或测量仪 被测设备和监测被测设备工作性能用的测量设备四部分组成 其中心问题是如何建立已知的 均匀的 高强度的宽频率带敏感场 且敏感场辐射的场强重复性要好 并要求敏感场不影响周围设备 包括测试设备 的正常工作 特别是当被测设备的尺寸较大时 要实现上述要求是相当困难的 美国在这个领域的研究在世界上处于领先位置 先后提出了多种替代方法 如平行板带状线法 长线天线法 横向电磁波传输小室法等 用来产生适合于不同大小被测设备且有不同频带的敏感场 辐射敏感度测试的场地可以是室外空旷试验场 亦可以是电磁屏蔽室 各种辐射敏感度测试方法祥见美国SAEJ1113及SAE1812等标准 2019 12 20 49 可编辑 汽车电子研究室第50页 4电磁干扰的抑制方法 汽车电子研究室第51页 4 1概述 一般来说 形成电磁干扰必须同时具备三个因素 存在着电磁干扰源存在着电磁干扰的传递途径存在着接受电磁干扰的敏感设备通常用以抑制电磁干扰的方法是 对于扰源采取屏蔽 隔离和接地的方法抑制干扰量的发射 采用滤波 阻尼和去耦等方法阻止干扰量的传播 对电子设备或器件采取提高线路信噪比 增大开关时间 提高器件抗干扰门限等方法以降低其电磁敏感度 这些措施在电路设计时都必须予以认真考虑 其中屏蔽 接地和滤波是抑制电磁干扰的三项基本措施 汽车电子研究室第52页 4 2屏蔽 屏蔽是利用屏蔽体来阻止电磁干扰源的电磁能发射的重要手段 电场屏蔽简称电屏蔽 它包括静电屏蔽和交变电场的屏蔽 磁场屏蔽简称磁屏蔽 它包括低频磁屏蔽和高频磁屏蔽 电磁屏蔽是对电场和磁场同时加以屏蔽 一般是指对高频电路磁场进行屏蔽 汽车电子研究室第53页 4 2屏蔽 静电屏蔽图9 16是静电屏蔽示意图 当屏蔽体内存在着带正电荷的导体A时 在屏蔽体的内侧感应出等量的负电荷 当屏蔽体B末接地时 如图9 16 a 所示 在屏蔽体B的外侧感应出等量的正电荷 实际上没有起到屏蔽作用 当屏蔽体接地时 如图9 16 b 所示 使得屏蔽体外侧与大地等电位 才能将静电场封闭在屏蔽体内 屏蔽体外侧不形成电场 真正起到屏蔽作用 汽车电子研究室第54页 4 2屏蔽 静电屏蔽图9 17是对外来场的静电屏蔽 由于屏蔽导体为等位体 在屏蔽体内部不会形成电场 在屏蔽体外侧表面 一边形成正电荷 一边形成负电荷 当屏蔽体完全封闭时 不管屏蔽体是否接地 外电场都不可能侵入屏蔽体内部 但实际的屏蔽往往不能完全封闭 此时不接地就会引起外电场侵入 形成屏蔽体内外静电耦合 降低屏蔽效能 汽车电子研究室第55页 4 2屏蔽 交变电场屏蔽对于交变电场 干扰的传递是通过电路中分布电容进行耦合的 当干扰源S与受扰设备R间无电屏蔽时 干扰电平Us通过分布电容C耦合到受扰设备上 使受扰设备对地形成一定的感应电压 加在受扰设备对地的分布电容CR两端 如图9 18 a 所示 此时的感应电压为 当干扰源S与受扰设备R间加人良导体屏蔽体P时 并使P有良好的接地 如图9 18 b 所示 此时的感应电压为 比较两式可知 即采取了电屏蔽后 受扰设备所承受的电磁干扰将大大成小 汽车电子研究室第56页 4 2屏蔽 分布电容C2 Csr 是因为屏蔽体P比干扰源S更靠近受扰设备R 且P的尺寸比S的尺寸大 汽车电子研究室第57页 4 2屏蔽 2 磁场屏蔽简称磁屏蔽 它包括低频磁屏蔽和高频磁屏蔽 低频磁屏蔽是指对变化频率在1KHz以下的干扰磁场的屏蔽 采用高导磁材料制成屏蔽罩 对干扰磁场进行分路 根据分磁原理 把本来要穿过受扰设备形成低频磁场干扰的磁力线 吸收到磁屏蔽低磁阻通道内来 从而大大减小穿过受扰设备的磁力线 即降低干扰 根据屏蔽原理 屏蔽材料导磁性能越高 低频磁屏蔽效果越好 屏蔽罩通道截面越大 屏蔽效果越好 但随之成本提高 体积和质量增大 同时应注意在屏蔽罩上与磁力线垂直的方向不得有开口或缝隙 因为这样的开口或缝隙将导致磁阻增大 分磁作用减小 磁屏蔽效能降低 铁磁材料存在着磁滞损耗和涡流损耗 频率越高 损耗越大 导磁率将明显下降 只适用于作低频磁场的屏蔽高频磁场的屏蔽应采用良导体材料 如铜 铝 其屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽罩表面所产生的高频电涡流反磁场特性来达到屏蔽高频磁干扰的 即是说 当高频干扰磁力线入射屏蔽罩时 在屏蔽罩表面产生高频电涡流 电涡流频率越高 强度越大 阻止磁力线穿过的能力越强 使得入射到屏蔽罩的高频磁力线被反射回去 即把高频磁干扰排斥在屏蔽罩之外 使罩内的设备免受高频磁干扰 由于需要产生尽可能大的反磁场电涡流 因而选择涡流回路电阻小的良导体 为了不切断涡流通道 屏蔽罩上尽量不要有开口及导致涡流回路电阻增加的缝隙 磁屏蔽罩接地与否对屏蔽效能没有影响 这一点与电屏蔽不同 电屏蔽必须接地 如果将良导体屏蔽罩接地 它将同时具有电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用 因而实用中还是将屏蔽罩接地 汽车电子研究室第58页 4 2屏蔽 3 电磁屏蔽是对电场和磁场同时加以屏蔽 一般是指对高频电路磁场进行屏蔽 在交变场中 电场和磁场总是同时存在的 只是在频率较低时 电磁波不能向远方辐射 电场和磁场仅在近区相互感应 来回转换 故常称为近场或感应场 这种近场的能量随干扰源的特性不同 电场分量和磁场分量有很大的差别 高压低电流源以电场为主 磁场分量可以忽略 这时只需考虑电场屏蔽 低压大电流干扰源则以磁场为主 电场可以忽略 这时可以只考虑磁场屏蔽 随着频率的增高 电磁辐射能量增强 从而形成远程辐射干扰 相应地常称其为远场或辐射场 频率越高 辐射的电场能和磁场能都越大 且都不可忽略 这时因为频率很高时 电场的高速变化在空间产生强大的位移电流 位移电流强度与频率成正比 强大的位移电流在其邻近产生强大的交变磁场 此交变磁场又在附近产生变化的电场 如此循环往复 高速变化的电磁场不但相互转换而且在空中向前推进 这种推进的过程即为电磁波的辐射过程 频率越高 辐射的电磁能量就越多 为了抑制高频辐射电磁场 必须采用良导体作屏蔽罩 并将屏蔽罩接地 由于高颇的集肤效应 对于良导体的穿透深度很小 因而电磁屏蔽体无需做得很厚 且屏蔽罩尽量不要有开口或接缝 理想的屏蔽体是一个结构上密实完整 电气上连续均匀 尺寸远大于电磁波波长的铝 铜或铜镀银的金属板壳体 这种在屏蔽完体上无孔洞 缝隙等任何电气上不连续因素的屏蔽体称之为实心型屏蔽体 相应地 在屏蔽壳体上存在有孔洞 铆接或焊接等电气上不连续因素的屏蔽体称为非实心屏蔽体 非实心屏蔽体上的孔洞或缝隙都可能引起电磁能的泄漏 导致电磁屏蔽效能的降级 汽车电子研究室第59页 4 3接地 接地通常有两种含义 一是接大地 即把电子设备的金属外壳通过埋入地下的金属棒 管道或其他金属结构件实现对大地的电气接触 并以大地作基准零电位 主要目的是为雷击放电或静电放电提低阻泄放通道 以保护设备及工作人员的安全 另一是接信号地或系统地 即取电子设备的金属底座 机壳 屏蔽罩或较大截面的铜导体 作为设备电路信号的参考点 并设该参考点的电位为零 但不是大地零电位 这种具有相对零电位的参考点 被称为信号地或系统地 接信号地的主要目的是给电路信号提供 个稳定的零电位参考点 以提高电路工作的稳定性 理想的信号地应是一个零电位 零阻抗的接地实体 即一个足够大的接地平面 且平面上各点之间都不存在电位差 实际上真正理想的信号地是不存在的 即使是电阻率接近零的超导 其表面两点之间还存在有某种电抗效应 因而所谓理想也只能是近似而已 若信号地能与大地连接 使电子设备有一个理想的零电位点 能有效地抑制外界电磁场的影响 保证电路工作的稳定性 有效地泄放因静电感应在机壳上积累的电荷 避免电荷积累过多形成高压引起设备内部放电而造成干扰 且为操作人员提供安全保障 汽车电子研究室第60页 4 3接地 电子设备接地通常有三种方式 单点接地 多点接地和浮地 单点接地是指整个电路系统中 只有一个接地参考点 各部分电路需要接地的点都各自直接接到这一参考点上 各接地线不能形成共有的通道 单点接地一般用于频率在300Mh以下的电路 因为当频率很高时 其波长缩短到接近于接地引线长度的四倍时 地线电感引起的高频驻波不可忽略 产生干扰分量 取不到有效接地的目的 多点接地是指整个电路系统中 各部分电路需要接地的点就近接地 多点接地一般用于频率在300kHz以上的电路 因为采用多点接地后 系统内形成多个地线回路 各地线电感与地线间分布电容可能引起低频振荡 对电路低频信号引起干扰 浮地是指整个电路系统在电气上与大地相绝缘 这样可以减少接地系统引入的传导干扰 此时各部分电路的信号地相连 但对大地悬浮 浮地的电子设备易产生静电放电 在雷电环境下 静电感应产生高压会在设备机箱与内电路间产生飞弧 危及设备及工作人员的安全 因而电子设备一般不采用浮地 上述三种接地方式 应根据实际电路系统的工作特性来选择 汽车电子研究室第61页 4 3接地 汽车电子研究室第62页 4 3接地 在一个复杂的电子设备中 往往为适应各部分电路工作性质不同 采取不同的接地方式 形成所谓混合接地 图9 20是混合接地实例 该电路工作频率从低频到高频 低频段希望单点接地 而高频段却希望多点按地 为此电路中放大器机壳校直接接地 负载侧的机壳通过电容 或寄生电容 接地 同轴电缆的屏蔽层经同轴连接器与两佣机壳相连 低频时 由于电容对低频呈现高阻抗 避免了低频地电流的形成 即低频段该电路中在放大器侧中点接地 高频时 电容对高频呈现低阻抗 因而负载侧可通过电容实现高频接地 而放大器侧可实现高频直接接地 因而高频段该电路实际上是两点接地 汽车电子研究室第63页 4 4滤波 在抑制电磁干扰的设计中 屏蔽主要是抑制电磁辐射 而滤波则主要是抑制电磁传导 实践表明 即使有很完善的屏蔽和接地措施 也仍然存在着电磁传导干扰导致电子设备工作性能降低 因而在抑制电磁干扰方面滤波器取着无可替代的作用 电磁干扰滤波器不同于常规的信号选择滤波器 前者主要考虑对电磁干扰的有效抑制 后者主要考虑的是对有用信号的有效选择 两者相比 电磁干扰滤波器有如下显著特点 电磁干扰滤波器通常工作在阻抗不匹配的条件下 这是因为干扰源的阻抗特性随频率变化而变化 其阻抗通常是整个频段 从Hz到GHz 的函数 干扰电平变化幅度大 有可能使干扰滤波器出现饱和效应 由于干扰信号的频带很宽 其高频特性非常复杂 难以用集中参数等效电路模拟滤波器的高频特性 干扰滤波器在阻带内对干扰信号应有足够的衰减量 而对有用信号的电磁能应有最大的传输效率 汽车电子研究室第64页 4 4滤波 电磁干扰滤波按频率特性亦可分为低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器和带阻滤波器四种 按滤波器机理分类 可分为反射型滤波器和吸收型滤波器 1 反射型滤波器是利用电感和电容元件的频率特性 在滤波器的通带内建立低串联阻抗和高并联阻抗 有利于有用信号的传输 而在滤波器的阻带内建立高串联阻抗和低并联阻抗 有效地阻止干扰信号的传输 即使干扰信号反射回干扰源而达到抑制的目的 反射型滤波器用得最多的是低通滤波器 是用来抑制高频电磁干扰的 低通滤波器的种类很多 按其电路形式可分为并联电容型 串联电感型 L型 n型和T型 各类低通滤波器的电路结构及其插入损耗如表9 10所示 表中各类滤波器的应用选择 视干扰源的输出阻抗及受扰设备的输入阻抗相对大小而定 当两者都比较小时 应选择T型或串联电感型 当两者都比较大时 应选择n型或并联电容型 当两者的阻抗相差较大 即一大一小时 则应选择L型滤波器 这是因为当电磁干扰滤波器两端阻抗都处于失配状态时 干扰滤波器的输入和输出端口对干扰信号都会产生较强的反射 从而获得对干扰信号的有效抑制 这是干扰滤波器与信号选择滤波器最本质的区别 对信号选择滤波器 要求它在应用的频率范围内得到尽可能完美的阻抗匹配 对传输的信号没有反射或反射很小 从而实现尽可能小的信号传输损耗 而对干扰滤波器 要在抑制干扰信号频率范围内 实现最大可能的失配 使需要抑制的干扰信号受到最大的抑制 汽车电子研究室第65页 4 4滤波 插入损耗是衡量EMI滤波器性能的重要指标 插入损耗越大扰能量衰减的越多 即抑制作用越强 插入损耗 Insertionloss 的定义为 U1 未接入EMI滤波器之前受扰设备输入电压 U2 接入EMI滤波器之后受扰设备输入电 汽车电子研究室第66页 4 4滤波 高通滤波器是用来抑制低频电磁干扰的 高通滤波器亦有多种类型 其电路结构可由相应低通滤波器转换而成 当把低通滤波器转换成具有相同终端和截止频率的高通滤波器时 其转换方法是 把每个电感L H 转换成数值为1 L F 的电容C 把每个电容C F 转换成数值为1 C H 的电感L 例如 0 33uF的电容转换成0 33uH的电感 750uH的电感转换成1 750uF的电容 如图9 21所示 汽车电子研究室第67页 4 4滤波 带通滤波器是对通带之外的高低频率干扰量进行衰减 带阻滤波器是对特定的窄带内干扰量进行衰减 实际的电磁干扰抑制技术中 带通滤波器很少使用 带阻滤波器常被用来抑制线路的谐波干扰 电路结构如图9 21所示 汽车电子研究室第68页 4 4滤波 2 电源EMI滤波器亦称电源线EMI滤波器 用来抑制由电源线传输的电磁干扰信号 它是用得最普遍的反射型低通滤波器 对任何电源线上的传导干扰信号 都可用共模和差模干扰信号来表示 如图9 23所示 图中相线L与地线G和中线N与地线G间存在的EMI信号UL和UN 称为共模干扰信号 即对相线L和中线N而言 UL和UN是大小相等 相位相同的干扰信号 而把L和N之间存在的干扰信号UIN称为差模干扰信号 这里把电源中的传导干扰信号看作是独立的干扰源发射的干扰信号 以便分析EMI信号和处理滤波网络的插入 汽车电子研究室第69页 4 4滤波 电源MI滤波器电路结构亦有多种形式 图9 24是最典型的电源EMI滤波器基本电路 将其插入电源与受扰设备之间 即受扰设备电源人口处 对共模和差模干扰信号都有抑制作用 如图9 25所示 在滤波电路中 两线圈通过的信号电流I1和I2所产生的磁通在铁心中相互抵消 不引起信号衰威 从而使L1和L2的自感值保持不变 一般取Ll L2 0 3 38mH 若要求电源EMI滤波器低频特性好 可取大些 但过大引起的分布电容将使电源EM滤波器高频特性变坏 同时铜耗增加 汽车电子研究室第70页 4 4滤波 共模扼流圈 两线圈L1和12匝数相同 绕向相反 绕在同一个软磁铁氧体磁环上 共模干扰抑制 共模线圈L1和L2分别与各自的CY构成L G N G两个独立端口的低通滤波器 可抑制电源线上存在的共模干扰UL和UN CY被称为共模抑制电容 一般控制在0 1uF以内 大了 容抗小 引起漏电流增大 造成系统电磁兼容性能下降 CY要有足够的耐压余量 大于电源供电电压 避免CY击穿短路危及人身安全 差模干扰抑制 共模线圈L1和L2与Cx组成LC低通滤波器 对电源线L N独立端口存在的差模干扰ULN取抑制作用 Cx被称为差模抑制电容 一般取0 33uF左右 Cx接于相线L与中线N之间 它上面除加有电源额定电压外 还会叠加各种瞬变干扰电压 峰值可这几千伏 因而对Cx有耐压安全等级要求 即在不同的电磁环境中 Cx耐压要求不一样 避免Cx击穿而导致滤波器失效 电源EMI滤波器为无源网络 具有互易性 即既可以抑制电源线上的干扰信号传入用电设备 也可以抑制用电设备工作时产生的干扰信号传入电源 取到对EMI信号的隔离作用 汽车电子研究室第71页 4 4滤波 3 吸收型滤波器反射型滤波器的缺点是滤波器的输入出阻抗难以在一个相当宽的频率范围内与指定的源和负载阻抗相匹配 这种失配将导致部分有用信号被滤波器阻隔 系统信噪比下降 在这种情况下 可考虑采用吸收型滤波器 即用滤波器将噪声能量吸收后转为热量消耗掉 而保持有用信号的顺利传输 鉴于吸收型滤波器抑制电磁干扰的机理是吸收信号线传输过来的噪声能量并使之转化为热损耗 因而常称其为损耗传输线 LousyTransmissionLine 抑制电磁干扰滤波器 简称为损耗线EMI滤波器 将吸收型滤波器与反射型滤波器串联应用 可获得更好的滤波效果 既具有陡峭的频率特性 又有很高的阻带衰减 例如在反射型低通滤波器前接入一小段损耗线 就可以得到达种组合型低通滤波器 汽车电子研究室第72页 如图9 26所示 损耗线EMI滤波器如同一段同轴传输线 在同轴传输线的内外导体间填充铁氧体材料并在铁氧体材料外面涂覆或填入高介电常数的绝缘层 取这样的一段同轴传输线作滤波器 就构成损耗线EMI滤波器 在其等效电路中 R0 L0和C0 G0分别表示损耗线单位长度的电阻 电感 电容和电导 C10表示绝缘层电容 显然损耗线等效电路只有低通电路结构特征 因而对高频具有良好的吸收特性 图9 27所示电缆滤波器 是最常见的损耗线EMI滤波器 其特点是直接把传输电缆和抗干扰滤波溶为一体 在传输有用信号的同时 对EMI信号进行滤波 同轴电缆滤波器不但体积小 铁氧体管外径约1 5cm 内径约0 95cm 长度与滤波器的截止频率成反比 一般不超过15cm 连接方便 且对高频有较好的吸收特性 汽车电子研究室第73页 5汽车电系电磁干扰的抑制 汽车电系存在着多种形式的电磁干扰源 其干扰电平及干扰方式各不相同 因而应综合考虑各种抗干扰措施 使汽车电系的电磁干扰获得有效的抑制 这是一项十分复杂的电磁干扰抑制技术 需要分析各种电磁干扰源的特性和技术参数 确定各自的干扰途径及耦合方式 相应地采取各种不同的抑制方法 包括屏蔽 接地 滤波 阻尼 去耦 隔离等措施 以及采用特殊的抗干扰器件 在使用了计算机控制的汽车电系 还应在软件设计上考虑抗电磁干扰的能力 全面地考虑汽车电系电磁干扰的抑制 实现汽车电系电磁兼容 EMC 性设计 还有待于进一步探讨 汽车电子研究室第74页 5 1点火系电磁干扰的抑制 发动机点火系统是汽车电系最重要的电磁干扰源 其电磁干扰主要表现在两个方面 一方面点火系高压侧的火花放电向空间辐射电磁波 对车内电子装置及车外数百米范围内的收音机 电视机和其它无线电通信装置的正常工作产生影响 另一方面 点火系低压侧由点火初级线圈产生的瞬变脉冲电压沿导线 车内金屑构件传导 对车内其它电子装置产生传导干扰 初级电路如图9 3所示 对于有触点的点火系 在断电器触点两端并联电容C1 由于电容两端的电压不能突变 因而当触点断开瞬间 初级绕组N1上产生的瞬变过电压U1m