汽车共搭铁阻抗耦合干扰问题排查及设计优化

陈知国，刘兆丹

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

1 故障描述

某自主车型配置头枕显示屏，为了避免与前排主机声音输出相互“打架”，头枕显示屏声音通过AUX口与前排主机连接，将声音输出至整车，乘客可在两者之间选择性收听节目。

将前排主机选择头枕显示屏作为音源输入模式，在启动发动机的瞬间，整车扬声器发出高频异响，发动机完全启动后，异响未消除并稳定持续，在这种情况下踩下油门踏板，异响音量及频率随着发动机转速上升而增大。此异响严重影响车内环境，容易引起乘客抱怨。

2 排查过程

虽然汽车音响系统出现异响是汽车开发过程中常见的问题现象，但由于车内电磁环境复杂，干扰源不尽相同，排查问题过程也繁简不一。针对该车型的问题现象，着手从前排主机、汽车电源、音频线束、汽车扬声器、头枕显示屏等部件一一排查。

1）对同车型其他车辆排查：在不同的时间，不同的环境中，启动车辆时均可以听到扬声器的异响，异响音量无差异，由此可以排除车辆受外界干扰引起的异响，问题出在车辆自身。

2）前排主机的排查：将该问题车前排主机拆下，更换5台同型号的主机，问题现象一致，排除了前排主机自身问题，非偶发现象。

3）线束的排查：将连接这些零部件的电源线束和音频线束均改为屏蔽线束，更换线束接插件且改变线束走向，再次确认异响问题无改善，排除了其他线束电磁干扰及电源线束和音频线束自身的问题。

某车型娱乐系统连接示意图见图1。

图1 某车型娱乐系统连接示意图

4）头枕显示屏排查：更换5台同型号的头枕显示屏，问题现象一致，排除了头枕显示屏自身问题。

5）电源排查：找一个独立的蓄电池，将头枕显示屏电源接在该蓄电池上，异响现象消失。经过进一步排查：将头枕显示屏电源线束重新接到原车的电源上，把搭铁点接在车身上不同位置，发现异响虽然没有消除但出现变化，在搭铁点接到前排主机的金属外壳上时，异响音量有所减小。

经过上面几步的排查，初步确认前排主机与头枕显示屏电源共搭铁及二者的连接方式是导致异响问题的主要原因。

3 原因分析

经过上面几步的排查，结合查询相关的资料，初步确认前排主机与头枕显示屏电源共搭铁是导致异响问题的主要原因，为共搭铁干扰，又称公共搭铁阻抗耦合干扰。

在该车型上，头枕显示屏与前排主机的电源搭铁点虽然不在同一个点上，但均为车身，可以视同为共搭铁。两个头枕显示屏与前排主机构成一个并联型的搭铁线系统，如图2所示。

图2 并联型的搭铁线系统

搭铁线作为公共的信号回流路径，理论上应该是没有阻抗的，但是实际情况并没有那么理想，因为实际搭铁线上的电位并不是恒定的，用仪表测量搭铁线上各点之间的电位，发现搭铁线上各点的电位相差很大。

人们对搭铁线电位的理想定义为电路是一个等电位体，而更加符合实际情况的定义是：信号流回源的低阻抗路径。这个定义可以理解为搭铁线中电流的流动是搭铁线电位差产生的原因。因为搭铁线的阻抗不恒为零，当一个电流通过有限阻抗时，就会产生电压降。不同信号的回流在搭铁线上产生的压降都会成为彼此的干扰，干扰通过公共阻抗产生噪声电压，再传给受干扰的回路，通过公共阻抗耦合的方式就产生了噪声。示波器抓取的干扰信号波形如图3所示。

而且在车辆上，电磁环境更加复杂，影响因素也会更多，如果信号的采样、调理电路，或者PCB设计不够理想，对于敏感微弱的小信号，就会产生明显异响。在该车型上，头枕显示屏自带内置功放，前排主机也有内置功放，同时整车还装有外置功率放大器，即使微弱的噪声信号，在经过多级放大后，通过扬声器表现出来就是刺耳的噪声。

图3 示波器抓取的干扰信号波形

4 设计优化

从共搭铁阻抗耦合干扰的机理可知，消除噪声的方法主要有两个：一个是采用搭铁法，另一个是降低公共阻抗。搭铁法就是将某一个点与另一个等电位点用低电阻导线连接，形成一个共基准电位。而降低公共阻抗就是减小共搭铁环路中的电流，可以通过使用隔离变压器、音频共搭铁隔离器的方法实现。综合该车辆的电路环境及系统的连接方式，决定采用在后排显示屏和主机之间的音频线束上增加音频隔离器的方式消除噪声。音频隔离器内部电路如图4所示。

图4 音频隔离器内部电路图

音频隔离器是工作在音频范围的变压器，主要用于系统间或设备间的音频信号传输，可以完全隔离两个系统间的电位差，避免由于搭铁问题造成的交流声干扰，同时也防止过高的电位差对设备输入级的损害，实现音频信号的可靠传输。

采用开模塑封的方式，将音频隔离器和音频线束做成一体，减少了接插件，便于安装，使音源与隔离器输入端独自形成环路，经过验证，优化措施切实有效，实现如下目的。

1）净化音频信号传输，确保不会发生因线长产生的干扰噪声。

2）消除因电位差造成的干扰噪声。

3）解决系统阻抗匹配问题。

音频线束塑封隔离器结构示意图见图5。

图5 音频线束塑封隔离器结构示意图

5 总结

在错综复杂的汽车电路环境中，干扰源和干扰受体之间耦合是众多噪声产生的主要因素之一，降低干扰源耦合程度对于增强电路的可靠性，提高整个电子电路系统的性能以及提升整车舒适性具有重要意义［1］，本文结合实车电路设计优化方案，从问题排查、原因分析、设计改进等步骤验证了汽车共搭铁阻抗耦合干扰的有效解决方法，为电路设计提供了参考。