引言

汽車電控技術快速發展，單車搭載的電子裝置數量快速增加，並且功能越來越複雜。由此導致的電磁相容問題日益突出，使得電磁相容設計成為電控開發過程中的重點和難點。本文旨在簡要概述汽車電控系統電磁相容設計的實施方向和方法，希望能給設計人員提供電磁相容問題的解決思路。

1汽車電子電磁相容技術的重要性

隨著汽車電動化、智慧網聯化的快速發展，每臺汽車上搭載的電子裝置數量逐步增加，消耗功率逐步增大，電子電路工作頻率逐步提高，電子訊號逐步複雜，使得汽車工作環境中充斥著各種頻段的電磁波，導致電磁干擾問題日益突出，輕則影響電控系統正常工作，重則損毀相應的電子元器件。

因此，汽車電控系統都會涉及到汽車電磁相容這個共性問題。汽車電磁相容技術關係到汽車娛樂電子系統及其周圍電子系統執行的可靠性，更是關係到電子控制功能執行的安全可靠性。例如車載導航系統、車載影音娛樂系統，以及電子控制制動系統、電子控制傳動系統、電子控制轉向系統。

汽車電磁相容對於現代以及未來的汽車而言至關重要，它關係到汽車的安全性、汽車排放控制的有效性、汽車節能的有效性、汽車智慧控制的可靠性等。所以，汽車電控系統的電磁相容效能越來越受重視，目前急需要求能廣泛應用針對汽車電控系統的電磁相容改進技術。

2汽車的電磁相容性的相關概念

汽車電磁相容性（Electro Magnetic Compatibility ，EMC）是指車輛、零部件或獨立技術單元在其電磁環境中符合要求執行並不對其環境中的任何裝置產生無法接受的電磁干擾的能力。

簡單來說，EMC包括了電磁干擾（Electro Magnetic Interference ，EMI）和電磁敏感性（Electro Magnetic Susceptibility ， EMS）。EMI是指電控裝置在執行過程中對所在環境產生的電磁干擾；EMS是指電控裝置對所在環境中存在的電磁干擾所具有的抗干擾能力。EMI是主動性的，即對外界產生的干擾，EMS是被動性的，即抵抗外界的干擾。所以對電控裝置的EMC要求就是：減少對外界的干擾，同時自身能抵抗一定程度的外界干擾。

電磁干擾包括干擾源、干擾源的耦合路徑和干擾敏感裝置三個部分。

2。1干擾源

這是噪聲和干擾產生的源頭。產生的原因包括大電流電路的開關噪聲（高di／dt）、快速訊號、快速上升沿、諧振、天線，錯誤的終端，反射和電勢差。

干擾源有多種多樣，總的來說可以分為內部干擾源和外部干擾源兩大類。

2。1。1內部干擾源

最主要的內部干擾源是電控系統的微控制器電路、晶振電路、數字積體電路、開關穩壓器、訊號傳送器。

2。1。2外部干擾源

外部干擾源是汽車處於各種外部電磁環境時所受的干擾。這類干擾存在於特定的空間或是特定的時間。如雷電、宇宙射線等；來自雷達、手機訊號塔發射的高頻干擾；

2。2耦合路徑

干擾從干擾源傳遞到敏感裝置的途徑或媒介。這種耦合有兩種方式：輻射和傳導。

2。2。1輻射耦合路徑

輻射耦合是指電磁噪聲的能量以電磁場能量的形式，透過空間輻射傳播，耦合到干擾敏感裝置。根據電磁噪聲的頻率、電磁干擾源與干擾敏感裝置的距離，輻射耦合可分為遠場耦合和近場耦合。

2。2。2傳導耦合路徑

傳導耦合是指電磁噪聲的能量以電壓或電流的形式，透過金屬導線或其他元器件（如電感器、電容器、變壓器等）耦合至干擾敏感裝置。根據電磁噪聲耦合特點，傳導耦合可分為直接耦合、公共阻抗耦合和轉移阻抗耦合。

直接傳導耦合是指噪聲直接透過導線、電阻器、電容器、電感器或變壓器等實際或寄生元件耦合到干擾敏感裝置。

公共阻抗傳導耦合是指噪聲透過印刷電路和殼體接地線等產生公共地阻抗耦合；噪聲透過交流供電電源及直流供電電源的公共電源阻抗時，產生公共電源阻抗耦合。

轉移阻抗傳導耦合是指干擾源發出的噪聲，不是直接傳送至干擾敏感裝置，而是透過轉移阻抗將噪聲電流或電壓轉變為干擾敏感裝置的干擾電壓或電流。

一般情況，小於30MHz的訊號主要透過傳導耦合，超過30MHz的訊號，噪聲會越來越多透過輻射方式耦合。

2。3干擾敏感裝置

電路受到來自＂源”的干擾的影響。這種干擾會導致在訊號上增加一些難以察覺的噪聲。但這種干擾也會對訊號或整個系統的功能產生一些重大影響。

汽車上各種電子模組如車身控制器、電機控制器、訊號線纜等都是干擾敏感裝置。

3汽車電子電磁相容標準

汽車電磁相容標準分為國際標準、地區標準、國家標準和企業標準。

現在國際上制定汽車的電磁相容方面的標準化組織有國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、國際電工委員會無線電干擾特別委員會（CISPR）。

地區標準主要是歐洲ECE法規和EEC指令。國家性標準協會有美國國家標準協會（ANSI）、美國聯邦通訊委員會（FCC）、美國汽車工程協會（SAE）、德國郵電部（ITZ）、德國電氣工程師協會（VOE）、英國標準協會（BSI）、日本民間干擾控制委員會（VCCI），上述標準協會的作用是與國際標準協調，並且制定各國家自己的標準。

國際上各大型汽車公司都有自己的企業電磁相容標準，如美國福特公司、通用公司，德國大眾、寶馬、梅賽德斯－賓士公司，法國的標緻－雪鐵龍公司等，其企業標準比國際上通用的標準要嚴格很多，例如通常國際標準對於汽車抗擾度的要求通常為24V/m，而一些汽車公司則規定為100~200V/m。

我國吸收了發達工業國家的經驗，根據國外標準制訂了汽車電磁相容性標準，並使之逐步升級、不斷完善。

表2為各個整車廠汽車電子需要滿足的標準。

以上標準可以分為兩類，一類是裝置對外的無線電騷擾。另一類是外部對我們裝置的干擾，要求我們的裝置具有一定的抗干擾特性。這兩方面都必須順利透過測試，並且滿足整車廠家的要求。

4汽車電子電磁相容設計方法

那麼如何提高汽車電子產品的自身抗擾度以及降低自身對外的電磁發射，滿足各類整車製造廠家的要求？

電磁相容性設計主要從以下三個方面入手：

1）抑制干擾源。

2）切斷或減弱干擾的耦合路徑。

3）提高電子模組的抗干擾能力。

其中抑制干擾源是最直接也是最有效解決電磁干擾的方法，設計時應分析干擾產生的機理，採取必要措施加以抑制或消除，當採取措施後仍達不到目標時，再從切斷或減弱干擾的耦合路徑著手解決。

通常，電磁相容性設計的基本方法有如下幾種：

4。1遮蔽

根據遮蔽目的的不同，遮蔽體可分為靜電遮蔽體、磁遮蔽體和電磁遮蔽體三種。

1）靜電遮蔽體：由逆磁材料製成，並和地連線。靜電遮蔽體的作用是使電場終止在遮蔽體的金屬表面上，並把電荷轉送入地。

2）磁遮蔽體：由磁導率很高的強磁材料製成，可把磁力線限制於遮蔽體內。

3））電磁遮蔽體：主要用來遏止高頻電磁場的影響，使干擾場在遮蔽體內形成渦流並在遮蔽體與被保護空間的分介面上產生反射，從而大大削弱干擾場在被保護空間的場強值，達到了遮蔽效果。有時為了增強遮蔽效果，還可採用多層遮蔽體，其外層一般採用電導率高的材料，以加大反射作用，而其內層則採用磁導率高的材料，以加大渦流效應，如圖1所示。

4。2濾波

濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。無論是抑制干擾源，消除干擾耦合路徑，還是提高電控系統的抗干擾能力，都可以採用濾波電路。

濾波器按透過訊號的頻段分低通、高通、帶通、帶阻等四種類型，如圖2所示。

1）低通濾波器：允許訊號中的低頻或直流分量透過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。

2）高通濾波器：允許訊號中的高頻分量透過，抑制低頻或直流分量。

3））帶通濾波器：允許一定頻段的訊號透過，抑制低於或高於該頻段的訊號、干擾和噪聲。

4））帶阻濾波器：抑制一定頻段內的訊號，允許該頻段以外的訊號透過。

按所採用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

1）無源濾波器：僅由無源元件（R、L和C）組成的濾波器，利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內的訊號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

2）有源濾波器：由無源元件（一般用R和C）和有源器件（如整合運算放大器）組成。這類濾波器的優點是：通帶內的訊號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯時相互影響很小，利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器，並且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁遮蔽；缺點是：通帶範圍受有源器件（如整合運算放大器）的頻寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。

4。3接地

接地是指將電路、殼體等與參考地連線，目的是提供一個等電位點或面。地線的作用是為電路或系統提供基準等電位點或面，抑制電磁騷擾，為電流回路提供一條低阻抗路徑，如圖3所示。

理想的接地平面是零電位、零阻抗的導體。由於接地材料的物理效能，決定了沒有這樣理想的接地平面。所以，系統中兩個接地點之間總是存在一定電位差。接地系統中電位差能否達到最小，決定了該接地系統的效率。

4。4合理的PCB佈局佈線

PCB的佈局佈線，會直接影響電子系統的電磁相容性。PCB layout時，要選擇合理的佈線寬度、採用正確的佈線策略、合理規劃PCB的尺寸與元器件的佈局。一般來說，遠場輻射與PCB佈局佈線關係不大，而近場感應的大小與PCB佈局佈線有著直接的關係。

近場感應的電感性耦合，其互感隨著導線間距的加大和靠近接地平面而減小，故應最大可能地使電路隔開，正確佈設導線的方向，限制電流的頻率和上升時間，利用遮蔽和接地等方法來減小電感性耦合的影響。

近場感應的電容性耦合，其減小電容性的方法與電感性耦合相同，在實際應用上應使所有導線儘量接近地平面。

4。5搭接

搭接是在兩金屬表面間建立低阻抗通道，目的是為電流的流動安排一個均勻的結構面，以避免在相互連線的兩金屬間形成電位差，因為這種電位差會產生電磁干擾。

搭接通道可以建立在系統接地面的兩點之間，也可以建立在接地基準與元件、電路或結構單元之間。

4。6隔離

隔離的目的是透過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到降低電磁干擾。

電路隔離主要有類比電路的隔離、數位電路的隔離、模擬和數位電路之間的隔離。

常用隔離方法有變壓器隔離、光電隔離、放大器隔離、空間隔離等。變壓器隔離是透過隔離變壓器使電子裝置與汽車供電系統隔離，再透過穩壓電路進一步抑制干擾；光電隔離是使控制電路與被控電路的地線分開，透過光電耦合器進行光電轉換對負載進行控制；放大器隔離是利用隔離放大器，使輸入、輸出和電源電路之間沒有直接電路耦合，即訊號在傳輸過程中沒有公共的接地端。空間隔離是使干擾源儘量遠離易擾元器件，從空間上實現抑制干擾。

4。7熱設計

電子系統或元器件在高溫時其抗干擾性能會降低，所以對電子系統或元器件的安裝佈局位置、散熱進行合理設計，也是提高電子系統抗干擾能力的有效措施。

從有利於散熱的角度考慮，大功率器件要有散熱處理。同一塊PCB上的元器件應儘可能按發熱量的大小及散熱程度分割槽擺放，發熱量小或耐熱性差的元器件放在PCB中間位置，發熱量大或耐熱性好的器件放在PCB邊緣靠近金屬殼體位置。

4。8抗干擾軟體設計

硬體抗干擾設計是電子系統電磁相容設計時的首選措施，能有效抑制干擾源，阻斷干擾傳輸路徑。由於干擾訊號產生的原因很複雜，且具有很大的隨機性，在電子系統電磁相容設計中採取抗干擾軟體設計加以補充，作為硬體抗干擾措施的輔助手段，軟體抗干擾設計有簡單、靈活方便、佔用硬體資源少、投入成本低等優點。

常用的軟體抗干擾技術有數字濾波、軟體陷阱、指令冗餘、重複輸出等。

5設計例項

某車載量產控制器殼體採用鋁製材料，PCB採用4層板設計，如圖4所示，板內從上到下依次為訊號層－地層－電源層－訊號層。

最初進行的開發驗證實驗中，無線電頻率傳導噪音的測量實驗測得平均值在80~108MHz，超出3dB，如圖5所示：

透過探測工具掃描整個控制器PCB區域，發現電源晶片處輻射噪聲最強，重點檢查電源晶片電路和PCB設計。

由於電源晶片整合兩級DC-DC模組，其中蓄電池電壓轉換為第一級電壓的開關頻率f1=440KHz，再轉換為第二級電壓的開關頻率f2=2。4MHz。初步判斷干擾訊號是透過這兩個DC-DC模組產生。

透過分析以上實驗資料，發現出現的噪聲峰值之間的頻率差基本都是2。4MHz的整分數之一。進一步增強判斷的合理性。

採取以下改進措施：

l）在PCB的地層分割出兩個不同的地平面，高暫態電流回路（兩個DC-DC模組）中涉及的功率元件接功率地PGND，其他元件接GND。PGND和GND的連線點儘可能遠離PGND地平面。

2）儘可能減小兩個DC-DC迴路的電流環，把涉及高暫態電流回路的功率級元件儘可能靠近電源晶片。避免將任何功率元件靠近其他需要驅動小電流的元件，因為這種元件很容易受到開關噪聲的干擾。

3））如果大電流回路需要穿過PCB，使用多過孔限制寄生電阻和電感。

4））避免在DC-DC功率元件投影下方連線GND的地平面和走線。

5）避免在DC-DC功率元件投影下方進行小訊號走線。

6）將高阻抗訊號的元件靠近裝置引腳連線，以避免噪聲的注入。

經過重新設計、製版、除錯，最終透過全部電磁相容實驗專案。

6結論

在專案早期就要規劃電磁相容設計。考慮越早，問題越簡單，解決問題所需要的成本越低。電磁相容問題產生的原因很多，只要找到問題的關鍵點，合理分析，採取有效措施，電磁相容問題就會迎刃而解。

文章來源：東風汽車公司技術中心