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汽車電子EMC電磁兼容の重要性

點(diǎn)擊次數(shù):670 更新時(shí)間:2023-06-15
 隨著電子設(shè)備的性能和功能的提高,每個(gè)設(shè)備產(chǎn)生的熱量增加,有效地散發(fā),消散和冷卻熱量很重要。對于5G智能手機(jī)和AR/VR設(shè)備等高性能移動(dòng)產(chǎn)品,由于采用高性能IC和追求減輕重量的高度集成設(shè)計(jì),導(dǎo)致散熱部件的安裝空間受到限制。限制了殼體內(nèi)部的安裝空間,因此利用高導(dǎo)熱墊片等TIM技術(shù)方案來更好地實(shí)現(xiàn)散熱。5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求,器件功耗大幅提升的同時(shí),引起了這些部位電子零部件發(fā)熱量的急劇增加,當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的散熱材料、吸波、屏蔽材料的需求也在增加。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電磁波輻射對環(huán)境的影響日益增大。在機(jī)場、機(jī)航班因電磁波干擾無法起飛而誤點(diǎn);在醫(yī)院、常會(huì)干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此,治理電磁污染,尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料,已成為材料科學(xué)的一大課題。電磁輻射通過熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)、累積效應(yīng)對人體造成直接和間接的傷害。 

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汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車市場的激烈競爭極大地促進(jìn)了各類電氣、電子和信息設(shè)備在汽車上的廣泛應(yīng)用,對于今天的汽車產(chǎn)業(yè),應(yīng)用電子技術(shù)的程度已成為提升汽車技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、自動(dòng)變速系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及行駛系統(tǒng)中,對汽車的安全性、可靠性、舒適性起著決定性作用。


EMC汽車電磁兼容

什么是汽車電磁兼容EMC?


電磁兼容,Electro Magnetic Compatibility,簡稱為EMC,是指車輛或零部件在其電磁環(huán)境中可以令人滿意的工作,對在同一環(huán)境中工作的其他用電設(shè)備不造成干擾。

EMC包括兩個(gè)方面的要求:電磁騷擾(EMI):指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾不能超過一定的限值;電磁敏感度(EMS):指設(shè)備對所在環(huán)境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。


汽車電磁干擾源分類


汽車電子的干擾機(jī)改進(jìn) 汽車電子設(shè)備工作在行駛環(huán)境不斷變化的汽車上,環(huán)境中電磁能量構(gòu)成的復(fù)雜性和多變性,意味著系統(tǒng)所受到的電磁干擾來源比較廣泛。按照電磁干擾的來源分類,可分為車外電磁干擾、車體靜電干擾和車內(nèi)電磁干擾。

車外電磁干擾:

車外電磁干擾是汽車行駛中經(jīng)歷各種外部電磁環(huán)境時(shí)所受的干擾。這類干擾存在于特定的空間或是特定的時(shí)間。如高壓輸電線、高壓變電站和大功率無線電發(fā)射站的電磁干擾,以及雷電、太陽黑子輻射電磁干擾等等[2]。環(huán)境中其它臨近的電子設(shè)備工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生干擾,例如行駛中相距較近的汽車。

車體靜電干擾:

車體靜電干擾與汽車和外部環(huán)境都有關(guān)。由于汽車行駛時(shí)車體與空氣高速摩擦,在車體上形成不均勻分布的靜電。靜電放電會(huì)在車體上形成干擾電流,同時(shí)產(chǎn)生高頻輻射,對汽車電子設(shè)備形成電磁干擾。

車內(nèi)電磁干擾:

車內(nèi)電磁干擾是汽車電子設(shè)備工作時(shí)內(nèi)部的相互干擾,包括電子元器件產(chǎn)生的電子噪聲,電機(jī)運(yùn)行中換向電刷產(chǎn)生的電磁干擾以及各種開關(guān)工作時(shí)的放電干擾,最嚴(yán)重的是汽車點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻輻射,其干擾能量最大。

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為什么要關(guān)注汽車電磁兼容EMC?


曾經(jīng)我們以為汽車最怕電磁干擾的是收音機(jī),最大可能釋放電磁干擾的部件是發(fā)動(dòng)機(jī)。但隨著汽車的各種功能的發(fā)展,汽車電子元件越來越多,現(xiàn)在一輛的乘用轎車全車電子元件甚至可以達(dá)到200個(gè),因此汽車受電磁干擾的影響也越來越大,產(chǎn)生的電磁干擾也越來越強(qiáng)。于是汽車的電磁兼容從此被當(dāng)作了非常重要的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。并且隨著汽車電氣化智能化的需求越來越高,電磁兼容已經(jīng)成為汽車尤其是新能源汽車設(shè)計(jì)生產(chǎn)不可回避的關(guān)鍵問題之一:新能源汽車使用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輛,在車輛充電和放電過程中,大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件動(dòng)作會(huì)引起高電壓、大電流的突變,從而發(fā)出強(qiáng)烈的電磁干擾。如果電磁輻射過大,就有可能引起自身或周圍電子設(shè)備的功能失效或誤動(dòng)作,甚至燒毀或擊穿元器件,對我們的日常生活和車輛的安全行駛造成嚴(yán)重影響;同樣如果車輛自身的抗干擾不足,車輛在行駛過程中也會(huì)存在極大的安全隱患。

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提高電子設(shè)備電磁兼容EMC的性能


汽車電子設(shè)備的電磁兼容性能包括兩方面,一是電磁發(fā)射,衡量系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾的發(fā)射水平;二是電磁敏感度,衡量系統(tǒng)在工作時(shí)為實(shí)現(xiàn)預(yù)期技術(shù)指標(biāo)而需要的抵抗電磁干擾的能力。根據(jù)前面的分析,要綜合提高汽車電子設(shè)備的電磁性能,可以從三方面考慮,一是減小設(shè)備發(fā)射電磁干擾的強(qiáng)度;二是抑制電磁干擾的傳輸;三是降低設(shè)備電磁敏感部件接收干擾的強(qiáng)度。

減小設(shè)備的電磁干擾強(qiáng)度:

優(yōu)化設(shè)備的電氣結(jié)構(gòu):汽車電子設(shè)備中閃光器是繼電器觸點(diǎn)結(jié)構(gòu),可以在觸點(diǎn)前加電弧抑制器;電機(jī)為感性負(fù)載,可通過內(nèi)部濾波電路降低電流噪聲;各種電控單元的印刷電路板,要優(yōu)化布線,降低電磁發(fā)射水平。

選用合適的電子元器件:汽車上的各種控制單元,采用較低頻的芯片有利于減少輻射干擾。

降低設(shè)備的功率:在滿足功能需求的情況下,降低設(shè)備的功率,可以減小干擾電壓和電流,從而減小干擾強(qiáng)度。

抑制干擾的傳輸

屏蔽干擾源設(shè)備和相關(guān)線束:汽車中主要的電控系統(tǒng)使用的電控單元,應(yīng)該采用屏蔽殼體封裝。增加線束濾波:對較長的線束,為減小傳導(dǎo)和輻射干擾,應(yīng)在線束上增加濾波,比較方便的是套接合適的鐵氧體磁環(huán)。

合理規(guī)劃線束:線束布置上使小功率敏感電路緊靠信號源,大功率干擾電路緊靠負(fù)載,盡可能分開小功率電路和大功率電路,減小線束間的感應(yīng)干擾和輻射干擾。

改進(jìn)設(shè)備的接地:良好的接地布置和改進(jìn)的地線搭接可以降低高頻阻抗。汽車電子設(shè)備接地主要是就近接到車體以及線束屏蔽層接地。

降低設(shè)備接收干擾的強(qiáng)度:

減小設(shè)備接收干擾的面積:線束應(yīng)設(shè)計(jì)成最小長度、最小阻抗和最小環(huán)路面積,最好采用雙絞線等回路面積小的供電方式。

增大設(shè)備到干擾源的距離:在干擾設(shè)備布置不變的情況下,改造敏感部件的安裝位置,增大到干擾源的距離。

電磁兼容性改進(jìn)措施的試驗(yàn)研究:

目前,電磁兼容仿真計(jì)算通常用來對車體結(jié)構(gòu)的電磁性能進(jìn)行初步估計(jì)[4]文中有引用,后面無參考文獻(xiàn)。汽車電子設(shè)備的電磁性能主要以測試為依據(jù),因此對改進(jìn)措施著重進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)汽車整車及零部件的電磁兼容性法規(guī)GB18655-2002《用于保護(hù)汽車接收機(jī)的無線電騷擾特性的限值和測量方法》,對國內(nèi)一種商務(wù)車型的電子設(shè)備進(jìn)行了電磁兼容性測試,采用了綜合改進(jìn)措施,試驗(yàn)結(jié)果可以比較各種措施在實(shí)車運(yùn)用中的效果。


什么是電磁波?


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電磁波(Electromagnetic wave)是由同相 且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射的振蕩粒子波,是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場,具有波粒二象性,其粒子形態(tài)稱為光子,電磁波與光子不是非黑即白的關(guān)系,而是根據(jù)實(shí)際研究的不同,其性質(zhì)所體現(xiàn)出的兩個(gè)側(cè)面。由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動(dòng),其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面。電磁波在真空中速率固定,速度為光速。見麥克斯韋方程組。

電磁波伴隨的電場方向,磁場方向,傳播方向三者互相垂直,因此電磁波是橫波。電磁波實(shí)際上分為電波和磁波,是二者的總稱,但由于電場和磁場總是同時(shí)出現(xiàn),同時(shí)消失,并相互轉(zhuǎn)換,所以通常將二者合稱為電磁波,有時(shí)可直接簡稱為電波。

在量子力學(xué)角度下,電磁波的能量以一份份的光子呈現(xiàn),光子本質(zhì)上來說就是波包,即以局域性能量呈現(xiàn)的波。電磁波的能量是量子化的,當(dāng)其能級階躍遷過輻射臨界點(diǎn),便以光子的形式向外輻射,此階段波體為光子,光子屬于玻色子。

一定頻率范圍的電磁波可以被人眼所看見,稱之為可見光,或簡稱為光,太陽光是電磁波的一種可見的輻射形態(tài)。電磁波不依靠介質(zhì)傳播。

電磁輻射通常意義上指所有電磁輻射特性的電磁波,非電離輻射是指無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線。而X射線及γ射線通常被認(rèn)為是放射性的輻射。稱作電離輻射。

要特別注意,電磁波并非與傳統(tǒng)的機(jī)械波一樣發(fā)生了空間上的震動(dòng),而是傳播路徑上不同點(diǎn)電場與磁場屬性的改變。

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從科學(xué)的角度來說,電磁波是能量的一種,屬于一種波,就像機(jī)械波,引力波和物質(zhì)波(概率波)一樣,凡是高于絕對零度的物體,都會(huì)釋出電磁波,且溫度越高,放出的電磁波頻率就越高,波長就越短,這種電磁波稱之為黑體輻射。正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣,除光波外,人們也看不見無處不在的其他電磁波。

電磁場包含電場與磁場兩個(gè)方面,分別用電場強(qiáng)度E(或電位移D)及磁通密度B(或磁場強(qiáng)度H)表示其特性。按照麥克斯韋的電磁場理論,這兩部分是緊密相依的。時(shí)變的電場會(huì)引起磁場,時(shí)變的磁場也會(huì)引起電場。電磁場的場源隨時(shí)間變化時(shí),其電場與磁場互相激勵(lì)導(dǎo)致電磁場的運(yùn)動(dòng)而形成電磁波。電磁波的傳播速度與光速相等,在自由空間中,為c=299792458m/s≈3×108m/s。電磁波的行進(jìn)還伴隨著功率的輸送。

電磁輻射量與溫度有關(guān),通常高于絕對零度的物質(zhì)或粒子都有電磁輻射,溫度越高輻射量越大,頻率越高,波長越短,但大多不能被肉眼觀察到

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