1 概述

　　自從1860 年把電能用于點(diǎn)火 , 汽車就開始了向周圍電磁環(huán)境發(fā)射電磁騷擾的歷史。當(dāng)今汽車，尤其是發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)，面臨著電磁兼容的巨大挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)的過程中，為了保證汽車各部分協(xié)調(diào)工作，相互兼容，要遵循國際、國家和地方的各種電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，另外，EMC工程師還必須考慮乘客舒適性，包括無線電娛樂設(shè)備，車載電話，GPS，防爆裝置(雷達(dá)和激光雷達(dá))，以及其他將在以后的職能汽車應(yīng)用到的先進(jìn)設(shè)備。

　　汽車電子系統(tǒng)中的“地"不只發(fā)揮一種功能，這個術(shù)語通常用來指一些汽車上導(dǎo)體，它們有如下功能： 1提供一個電流回路 2為模擬傳感器和數(shù)字邏輯電路提供參考電壓 3調(diào)頻和調(diào)幅天線的地網(wǎng) 4用于屏蔽射頻旁路電流 5靜電保護(hù)

　　2 汽車接地系統(tǒng)

　　2.1 概況

　　如下圖所示，汽車供電系由蓄電池、發(fā)電機(jī)和典雅調(diào)節(jié)器組成，它是汽車電系的電源系統(tǒng)，為汽車電系提供足夠的電功率和穩(wěn)定的工作電壓。汽車供電系由蓄電池和發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，它輸出 電流驅(qū)動直流負(fù)載，但是發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電容過大，從而它無法輸出快速的開關(guān)電流。那么這個任務(wù)就得由蓄電池來完成。

　　另外，汽車接地系統(tǒng)首要考慮的問題就是要保證起動機(jī)正確運(yùn)行，因此我們還得考慮起動機(jī)的要求。為了確保起動電機(jī)能夠在寒冷的天氣下動作，其電流回路必須在電池負(fù)極到起動機(jī)接地(一般使發(fā)動機(jī)體)之間呈現(xiàn)為直流低阻特性。起動機(jī)和蓄電池的安裝位置可能在這個地導(dǎo)體之間產(chǎn)生額外不利的電流回路。

　　2.2 接地元件

　　在車上，許多部件都專門用于接地，包括車身金屬體，發(fā)動機(jī)本體，配線以及蓄電池。

　　2.2.1 車身金屬體

　　盡管現(xiàn)在車身材料越來越趨向于使用復(fù)合材料或者塑料面板，但當(dāng)今汽車車身仍然大面積使用金屬。因?yàn)樗某叽纾螤詈头奖愕牟季?例如接近大多數(shù)電氣設(shè)備)，車身金屬體在提供電流回路、參考電勢、屏蔽和削弱噪聲方面具有獨(dú)到之處。

　　由于車身的外形特別，表面積大，因此它本身就是一個巨大的電容器，現(xiàn)已驗(yàn)證，車身金屬體可以吸收高頻小幅值電流。然而，這樣做存在普通阻抗耦合，特別是有電流穿過車身上接合的地方時。此外，如果把車身金屬體作為通用電流回路，而不是做某些特定的電流回路將不單不能發(fā)揮其長處，反而會增加一個重要的輻射源。美國俄亥俄州州立大學(xué)及美國Daimler-Chrysler公司曾做過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果車身金屬體只是給一般的點(diǎn)火電流提供回路，那么其表面電場并不穩(wěn)定，有明顯的干擾毛刺，這是由于電流通過汽車擋板時會在無線電娛樂設(shè)備中產(chǎn)生噪聲。而如果汽車外加一個部件，使電流回路避開了離擋板近的車身金屬體的話，此時其表面電場是非常穩(wěn)定的。

　　車身金屬體還可以屏蔽低頻電容。在頻率超過千赫的情況下，由于車身金屬體本身具有一定的厚度，因此它也會對發(fā)動機(jī)盒起到一定的電磁屏蔽作用。另外，它還是汽車與照明系統(tǒng)、外界ESD干擾以及其它車外的輻射源屏蔽的主要導(dǎo)體。然而，如果車身采用一般的構(gòu)造，那么這種屏蔽無法實(shí)現(xiàn)的可靠電氣整體性。金屬板之間的連接可能是靠焊點(diǎn)、非導(dǎo)體防腐插入層或非導(dǎo)體油漆。理想情況下，固定的金屬板通過電氣結(jié)合，可移動的金屬板(車篷和門)是通過輔助導(dǎo)體(接地母線)連接的。車身金屬體應(yīng)該通過一個牢固的低阻抗線束連接到電池負(fù)極。

　　2.2.2 發(fā)動機(jī)體和氣缸蓋

　　汽車發(fā)動機(jī)體和氣缸蓋中有多種電氣信號。它們之間除了可能產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合之外，一些信號可以通過回路引線電感在發(fā)動機(jī)裝置和車身金屬體之間產(chǎn)生電壓。這個電壓能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)內(nèi)的電子設(shè)備產(chǎn)生輻射或者電容耦合。

　　發(fā)動機(jī)和氣缸蓋在物理上是通過很多大直徑螺栓緊密連接，但連接處的電氣特性一般都比較差。氣缸蓋墊圈經(jīng)常是絕緣的，其外表通常采用劣質(zhì)導(dǎo)體。發(fā)動機(jī)體與其他發(fā)動機(jī)組件之間的連接處(包括發(fā)電機(jī)機(jī)架，閥門蓋和節(jié)氣門體)都是不可控的，并且在發(fā)動機(jī)工作過程中隨時可能發(fā)生變化。

　　2.2.3 配線

　　由于發(fā)動機(jī)和汽車部件的尺寸較大，那么在高頻情況下必然產(chǎn)生接地阻抗。而且這些部件之間的距離很大(米的數(shù)量級)，因此電流回路的電感問題也很難消除。通常情況下，配線的電感達(dá)到幾十 nH/inch，另外很多汽車部件的感性容量的數(shù)量級都可達(dá) μH。那么在汽車系統(tǒng)中幾安培或者更大、頻率高于 100KHz的電流可能在電流回路中產(chǎn)生很大的壓降。

　　2.2.4 蓄電池

　　蓄電池除了可以儲存電能，它還可以抑制一些噪聲。在低頻時，鉛酸電池每 100Ah呈現(xiàn)為 1-2F的容抗。當(dāng)與發(fā)電機(jī)并聯(lián)放置時，該電抗將有利于減少汽車充電系統(tǒng)產(chǎn)生的低頻噪聲。高頻狀態(tài)下，電池內(nèi)的反應(yīng)更復(fù)雜。在 25kHz到 250kHz的范圍內(nèi)，蓄電池呈現(xiàn)容性(幾十 nF)，并且基本不隨頻率不變。據(jù)觀察，有效電容數(shù)量級的變化次序是與蓄電池的負(fù)荷狀態(tài)及大小有關(guān)的。高頻狀態(tài)下，用串聯(lián) LC電路來等效蓄電池的電抗是最佳的。此時，如果頻率高于 1MHz，那么很可能發(fā)生串聯(lián)諧振。也正因?yàn)榇耍荒軕?yīng)用蓄電池來抑制調(diào)幅廣播波段或更高的無線電頻率噪聲。

　　3 汽車 EMC要考慮的問題

　　據(jù)上所述，汽車本身有許多輻射源和敏感元件。在這部分中，我們只討論汽車環(huán)境中比較特殊的元件。

　　3.1 點(diǎn)火裝置

　　汽車的初級和次級點(diǎn)火電路是最常見的發(fā)射源。由于這兩級電路經(jīng)過點(diǎn)火線圈耦合之后，它們的波形不同，在此對其進(jìn)行分別介紹。

　　初級點(diǎn)火電路包括一個電流源(蓄電池或交流發(fā)電機(jī))，點(diǎn)火線圈和一個觸發(fā)裝置(通常用發(fā)動機(jī)控制器)。現(xiàn)在的大多數(shù)汽車上的點(diǎn)火系統(tǒng)都采用的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2所示。對于這種電路來說，與 EMC首要相關(guān)的是線圈電流波形的下降沿。

　　圖2 點(diǎn)火系統(tǒng)簡圖 

　　圖 3給出了點(diǎn)火線圈初級的電流、電壓波形。這部分波形包含有效的高頻能量( 100KHz及其以上)，它受地回路線束的電感影響。

　　次級點(diǎn)火電路包括點(diǎn)火線圈，火花塞，氣缸蓋和其他導(dǎo)體，等效電路如圖 4所示，這個回路包括發(fā)動機(jī)組和發(fā)動機(jī)控制模塊，它還包括一個 1pH的接地電感，它能觸使發(fā)動機(jī)組和控制模塊對蓄電池有幾伏的電勢差。在這里，用等效串聯(lián)電壓源表示由初級電壓。盡管在足夠高的頻率下也會發(fā)生電容和輻射損耗，但是還是可以把到蓄電池的電流回路用一個等效電感來表示;Cc表示通過線圈的寄生電容。在圖中，看不出次級通過點(diǎn)火線圈電容耦合到初級。而這種實(shí)際存在的耦合方式既可以增加輻射電壓，也會引入更多的傳導(dǎo)耦合到電子系統(tǒng)當(dāng)中。

　　如果我們盡量減少閉環(huán)回路的面積，以及合理擺放元件以縮短其間的引線距離，那么這個問題可以得到一定緩解。另外，在流經(jīng)蓄電池負(fù)極的電流回路中，不能用其他的任何導(dǎo)體作為參考電位，車身金屬體也不可以。

　　在汽車產(chǎn)生信號中，次級點(diǎn)火電路的信號頻譜范圍可高達(dá) 1GHz左右。因此它尤其可能成為一個輻射源，但是它與發(fā)動機(jī)其他部件的傳導(dǎo)耦合也是輻射源。

　　圖2和圖4給出了次級點(diǎn)火電路高頻發(fā)射信號的產(chǎn)生機(jī)理。蓄電池給點(diǎn)火線圈的初級繞組供直流電。發(fā)動機(jī)的初級繞組和次級繞組采用自耦變壓器結(jié)構(gòu)。發(fā)動機(jī)控制器中的電子開關(guān)驅(qū)動導(dǎo)通初級繞組需要一定的時間。都知道，初級電壓被放大的倍數(shù)為匝數(shù)比(一般為幾百)，在次級產(chǎn)生幾十 kV的電壓。因此在線圈高邊和氣缸蓋之間加一個 RF抑制電容 Crf。

　　圖3 點(diǎn)火線圈初級的電壓、電流波形

　　圖 4 點(diǎn)火系統(tǒng)次級等效電路 

　　火花塞 RF特性可以用以下模型描述：( 1)一個等效電弧阻抗 L，它可以用來描述表示流過火花隙的非線性時變電流，(2)由火花塞外部帶螺紋的金屬包皮和內(nèi)部鐵芯構(gòu)成的同軸電容器。實(shí)際上，電弧不放電時火花隙是斷開的，在此我們用一個開關(guān)來表示。在開關(guān)閉合后，電容Cp快速地通過間隙放電。

　　3.2 車載無線娛樂系統(tǒng)

　　車載無線娛樂設(shè)施包含了一個屏蔽的連接單極天線的高增益放大器。無線設(shè)備對從 kHz到MHz范圍的噪聲敏感，而這個變化范圍恰是汽車電氣和機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的范圍。

　　同軸電纜連接無線設(shè)備和接收機(jī)，其外層導(dǎo)體在擋板(天線地網(wǎng))和接收器架之間形成一個連續(xù)屏蔽層。雖然汽車的設(shè)計(jì)者一般不知道接收器機(jī)架內(nèi)部的連接，但是可以認(rèn)為接收器機(jī)架也通過接地母線連到車身金屬體上。車載無線娛樂系統(tǒng)中有幾種接地。首先是同軸電纜外屏蔽層與車身金屬體連接給單極天線提供地網(wǎng)。另外還需將同軸電纜與無線設(shè)備機(jī)架相連，這樣可以將前者表層噪聲電流轉(zhuǎn)移到后者上來，為天線信號提供回路。如果無線設(shè)備機(jī)架和車身之間沒有連接，其大面積的金屬部分將會與車身金屬產(chǎn)生容性耦合，車身金屬上的噪聲可能影響接收器的基準(zhǔn)電壓。如果同軸電纜的外層導(dǎo)體沒有和接收器以及無線設(shè)備機(jī)架形成良好的連接，噪聲電流將耦合到接收器。最后，如果接收器和無線設(shè)備機(jī)架沒有共地，無線設(shè)備機(jī)架上的噪聲電流將會在接收器上產(chǎn)生容性耦合。

　　3.3 供電系統(tǒng)

　　3.3.1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　在圖1所示的傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中。發(fā)動機(jī)體與電池負(fù)極之間的這個起動機(jī)，它直徑大，但具有低阻特性，提供回路讓電流回到發(fā)動機(jī)體、蓄電池負(fù)極。要設(shè)計(jì)一個好的接地系統(tǒng)可能面臨兩個難題。第一，由于蓄電池和起動機(jī)的尺寸和安裝位置，回路中需很長的引線，這可能產(chǎn)生很大的接地電感;第二，發(fā)動機(jī)體的電阻可變，因?yàn)樗怯珊芏嘟Y(jié)構(gòu)上獨(dú)立的部分組成的(如機(jī)身、機(jī)蓋、歧管及其支架)，而且它們之間連接處的電氣特性在裝配過程中是不可控的，也并不是一層不變的。

　　3.3.2 供電系統(tǒng)組件

　　接地設(shè)計(jì)時還應(yīng)該考慮發(fā)電機(jī)和電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲。這種噪聲有幾個來源：1.電機(jī)滑環(huán)斷續(xù)接觸時引起的電刷噪聲; 2.整流時產(chǎn)生的諧波噪聲; 3.整流二極管反接產(chǎn)生的脈沖噪聲;4.勵磁繞組通PWM信號時，在電壓調(diào)節(jié)器上產(chǎn)生高頻噪聲。因?yàn)槟Σ梁推У臋C(jī)械移動導(dǎo)致靜電荷移動，因此發(fā)電機(jī)的傳動帶也成了一個噪聲源。這個小的噪聲源會加劇發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的其他大容性信號和輻射信號。

　　前面提到過，可以利用蓄電池內(nèi)部的電容來消除發(fā)電機(jī)噪聲，這種結(jié)構(gòu)可以吸收低頻噪聲，但對高頻噪聲就失效了，因?yàn)殡姵赜袕?fù)雜的頻率響應(yīng)和很大的導(dǎo)線電感。為了提高高頻抑制能力，應(yīng)該在盡可能靠近發(fā)電機(jī)外殼處讓噪聲對地分流。而外殼與蓄電池負(fù)極間通路的阻抗要低，如果采用縮短連線及減少和其他電路的耦合的方法，那一定要謹(jǐn)慎!

　　3.4 非電氣組件

　　前面討論的都是汽車上的電氣元件，而汽車上很多非電氣部件也都是顯著噪聲輻射源，這是由于其尺寸、形狀及安裝特性的關(guān)系。這些部件包括發(fā)動機(jī)組和氣缸蓋、散熱器、散熱器芯和排氣管。噪聲信號可能通過感性器件、容性器件、傳導(dǎo)元件和輻射過程耦合。

　　許多汽車的散熱器都是通過絕緣橡膠套管固定到車身上，因此散熱器就和參考電位在電氣上隔離。散熱器芯也是這個原理。而且，流動葉片還可以加劇容性耦合噪聲。由于車載娛樂設(shè)施也在這附近，因此這種干擾對散熱器芯的影響特別嚴(yán)重。為了抑制這些噪聲源，散熱器和散熱器芯至少一點(diǎn)接地到車身上。現(xiàn)在越來越多的使用鋁制散熱器，又引發(fā)了新問題。在連接處尤其要謹(jǐn)慎選擇材料，必須保證金屬材料接觸時電化腐蝕最小。

　　3.5 排氣管

　　排氣管通過排氣歧管連接到發(fā)動機(jī)蓋，它相當(dāng)于單極天線，是發(fā)動機(jī)的地網(wǎng)。這種地網(wǎng)也能產(chǎn)生輻射，可以用跨接導(dǎo)體來減少這些對車身金屬體的輻射。

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