车辆零部件电磁兼容设计与应用

林 森，刘保国，雒 拓，高 锦

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安710200）

零部件军用电磁兼容考核标准为GJB 151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》，其中陆军地面设备考核项目为CE102、RE102、CS101、CS112、CS114、CS115、CS116、RS103，共8项。CE102、RE102考核零部件发射指标是否合格，CS101、CS112、CS114、CS115、CS116、RS103考核零部件抗扰性指标是否合格。军用车辆零部件考核指标要求严格，在产品开发过程中应重点设计，避免进入设计-试验-整改-再设计的循环过程，耗费大量资金和资源，延长项目开发周期。

1 零部件电磁兼容性分析

通过对标准中试验项目的理解，在产品的开发过程中应同时进行发射和抗扰性设计，图1为多数电子控制器的结构图。电子控制器由外壳、控制器盖、PCB、安装螺栓、连接器、壳体搭铁点及连接线缆构成。

电磁干扰产生的三要素为干扰源、干扰途径和敏感设备［2］。通过对控制器进行分析，控制器内部电路板产生的空间辐射频率大于1MHz，将从缝隙、孔洞直接辐射到外部空间，PCB线路上的无用信号将通过插接件连接的线缆辐射出去。对于1MHz以下的信号，由于频率较低，只能通过传导方式对外产生辐射，主要途径是对外接口的线缆。抗扰的考核方式与发射相反，但路径都相同，因此在设计过程中首先找出发射产生的源头，通过滤波、屏蔽、布置等措施进行干扰抑制，在减少干扰的同时提高抗扰能力。图1中潜在的电磁兼容问题位置见表1。

图1 电子控制器结构图

表1 控制器电磁兼容潜在位置

从表1可以看出，电磁兼容设计涉及结构、原理、PCB、器件等多学科领域，是一个跨学科综合设计的过程，因此应掌握多领域基本知识去解决问题。

2 零部件电磁兼容设计方法

汽车零部件电磁兼容性设计主要包括五大部分。

1）电路图电磁兼容设计：接口电路防雷击、静电与滤波组件的计算选型、信号线分类滤波和阻抗匹配处理、搭铁线特性分类、电源特性划分和滤波处理、芯片引脚特性校核及滤波处理等。

2）PCB电磁兼容设计：PCB叠层设计、元器件摆位设计、信号分类设计、信号布线设计等。

3）传感器电磁兼容设计：屏蔽线束设计、滤波设计。

4）插接件选型：带有屏蔽功能的金属插接件设计评估。

5）壳体电磁兼容设计：法拉第笼式结构设计、壳体缝隙屏蔽设计、开孔位置屏蔽设计、壳体喷涂防护设计等。

按照零部件电磁兼容设计方法对控制器潜在电磁兼容风险点给出设计方案，见表2。在产品设计过程中根据电路、壳体、安装位置进行方案合理应用，在初次设计完成后可解决90%电磁兼容问题。

表2 控制器电磁兼容解决方案

3 零部件电磁兼容设计应用

3.1 未考虑电磁兼容设计产品

某车辆使用的电子控制器，由于控制原理简单，在设计过程中只完成了功能设计，未进行电磁兼容考虑，控制器外壳为塑料结构，PCB未进行布局考虑，在进行零部件电磁兼容试验时，辐射发射超标严重，与预期一次性通过试验的评估相差很大。图2和图3为10kHz~200MHz辐射超标图。

图2 10kHz~30MHz发射超标图

图3 30~200MHz发射超标图

通过多次试验验证和问题排查，发现图2中出现的6MHz、12MHz、18MHz等和图3中36MHz、54MHz、66MHz等均为6MHz的倍频，而此控制器使用的晶振是6MHz，因此这些频点均由晶振引起，而围绕晶振在设计过程中产生的潜在问题并未进行充分考虑，导致零部件超标严重。

3.2 正向电磁兼容设计开发

此控制器整体需求为：采用塑料外壳，电路功能由PCB实现，芯片由6MHz晶振驱动。此PCB工作频率较高，应至少采用两层板设计，对晶振、芯片及外围电路进行详细设计，优化走线，避免线间耦合和串扰，同时对塑料外壳进行屏蔽处理减少空间辐射。控制器设计变更前后见表3。

通过从控制器需求出发，按照潜在电磁兼容问题点进行方案设计，通过对壳体、PCB、元器件进行设计和选型，图4中左图为新2层PCB设计及贴片元器件使用，右图为喷涂导电漆后的壳体。

表3 控制器设计比对

图4 新PCB及屏蔽外壳图

设计完成的样品功能正常，发射试验一次性通过，达到设计要求。图5和图6为新设计样件一次性通过10kHz~200MHz辐射发射试验。

图5 10kHz~30MHz发射通过图

图6 30~200MHz发射通过图

通过对增加的成本进行核算，由于新设计产品品质稳定，故障率低，返修率低，总体价格并未出现明显增长。

4 结论

通过对车辆零部件进行研究，找出电磁兼容设计方法。首先应掌握法规和指标对产品电磁兼容性要求，然后对产品电磁兼容问题进行分类，有针对性地提出设计方案并实施，最后通过试验验证，证明方案可行性。正向开发的优势在于缩短试验-整改-再设计的过程，提高设计效率和通过率，节约资金，减少资源耗费。