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汽车元件的EMI抗扰性测试-【新闻】精密加工

发布时间:2021-04-20 12:24:46 阅读: 来源:吊秤厂家

汽车元件的EMI抗扰性测试

多年以来,电磁干扰效应一直是现代电子控制系统中备受关注的一个问题。尤其在今天的汽车工业中,车辆采用了许多关键的和非关键的车载电子模块,例如引擎管理模块、防抱死系统、电子动力转向功能模块、车内娱乐系统和热控制模块。

同时,车辆所处的电磁环境也更加复杂。车上的电子元件必须与射频发射机共存,这些发射机有些安装和设置得比较恰当,有些却并非如此。此外,车辆还可能进入一些外部发射机产生的强电磁场区域,强度可达几十甚至几百福特每米。汽车业在多年前就已意识到这些问题,所有著名厂商都已采取一定措施,通过制定测试标准和立法要求,力图借此减少电磁干扰的影响。因此,今天的车辆对这种干扰都具备了较强的抵抗能力。但EMI对车载模块的性能影响非常大,因此必须继续对其保持警惕。

车辆及其部件的测试是一个高度专业的领域,一向由厂商自己完成。在有些国家,许多车辆厂商会共同资助那些专业的测试实验室。随着车辆中使用的子部件日益增多,汽车厂商将部件外包的趋势也日趋明显,因此,EMC测试开始逐渐变成部件厂商的责任。在诸如ISO 22452 和 SAE J2223 等汽车部件抗扰性测试国际标准的子章节中,都描述了频率存在重叠的多种不同测试方法和测试级别。在没有任何更高的立法要求时,车辆厂商们就可以在这些通用标准的基础上制定其测试要求。即当某汽车厂商欲为其部件供应商制定部件级别的测试要求时,他可以从包含多种测试方法、测试频率范围和测试级别的清单上选择合适的款项来构成他自己的测试标准。最终,一个为多家汽车厂商提供子部件的厂家就有可能必须根据不同的标准,采用不同的方法,在同一个频率范围内测试同样的部件。

为了满足客户的测试需求,部件厂商可以采用一系列针对ISO 22452 和SAE J2223中包含的RF测试规范而设计的汽车部件测试系统来帮助完成工作。这些测试系统通常都是自含系统,遵循所有标准中规定的最高级别测试规范。采用这样的系统之后,部件厂商在对多个标准进行测试时,用到的许多测试仪器都是相同的,因而能节省大量资金。以下我们将讨论几种RF测试方法和汽车厂商测试需求中所规定的一些测试参数,并探讨部件厂商怎样才能根据不同客户的测试需求搭建相应的测试系统,达到只测试需要项目的目的。

几种RF测试方法

要想测试一个汽车部件的RF抗扰性,必须通过一种与车内干扰出现方式相当的方式向其施加RF干扰。这就引入了第一个变量。汽车可能会暴露在一个外场中,也可能携带有会产生干扰信号的发射机和天线,但无论如何,干扰场都可以直接作用于部件所处的位置。例如,当该部件安装在仪表盘上或附近的开放式区域时,它所产生的干扰就比当它被安装在车辆底盘附近甚或是在引擎箱内这样的屏蔽区时造成的危害要大得多。另一方面,为了供电和信号连接的需要,所有电子模块都连到车辆的配线系统。

而配线装置相当于一个有效的天线,能够与RF干扰耦合,不论部件安装在什么地方,RF电流都可能通过其接插件传导到部件中。鉴于此,我们通常采用的测试方法有两组:辐射干扰测试和传导干扰测试。

辐射干扰测试

所有的辐射测试法都不外向被测装置施加一个强度得到校准的RF场,这样,就能将RF电流和电压引入装置的内部结构,然后这些RF电流和电压又会出现在有源器件的敏感节点上,从而在电子线路中造成干扰。不同方法在施加RF场的方式上有所不同,它们各有其优、缺点和局限性。

图2:典型的辐射干扰测试装置

微波暗室中的辐射天线测量法

最简单明了的产生RF场的方法就是向一个天线灌入能量,并将其指向被测设备。天线能够将RF能量转化为一个辐射场,并使其充满测试区域。由于需要在很宽的频谱范围内产生高电平的RF信号,为了避免与附近的其他合法无线电用户相互干扰,测试应该在一个屏蔽室中进行。但这会引入墙壁的反射,从而改变室内的场分布。为解决这一问题,需要对屏蔽室的表面进行电波消声处理,创造一个“吸波室”环境,而这又会极大增加测试设备的成本。测试时使用的天线在被测频率范围内应该具有较宽的频率响应。车辆测试中的测试频率可能从22kHz到28GHz,因此需要的天线也有许多种不同的类型。此外,加之于EUT上的场也应该尽可能均匀并且受到良好控制。测试时的场可能会影响暗室的规格,因此天线不能离EUT过近,方向性也不能太强,否则产生的场会只集中于EUT的某一个区域。同时,天线和EUT距离过近还会导致二者互感增大,从而加大天线上所加信号的控制难度。被测对象的物理尺寸越大,这一距离要求就越难满足。另外,根据公式P = 2/32 watts,天线离EUT越远,达到某个给定场强时需要的功率就越大。

注意,该公式给出的是场强和距离的平方率关系,即当某个给定距离上的场强从22 V/m增大到22 V/m时,需要的功率是原来的4倍,或者说当场强从22 V/m增大到22 V/m时,在给定功率下,距离只有原来的四分之一。EUT位置处的场强通过一个各向同性的宽带场传感器来测量,各向同性是为了保证传感器对方向不敏感,而宽带则是为了保证它在不同频率下均能得到正确的测量值。

TEM单元法

根据ISO 22452-3和 SAE J2223/24中的规定,TEM单元只是一段简单的封闭传输线,在其一端馈入一定的RF功率,并在另一端接一个负载阻抗。随着传输线中电磁波的传播,导体间就建立起一个电磁场。TEM描述的是在这类单元的作用区域内产生的占主导地位的电磁场。当传输线长度给定时,在一定的截面积上,场强均匀,且易测量或计算。EUT就放置在TEM单元的作用区域内。TEM单元一般呈箱体形式,内带一个隔离面,箱体的墙面作为传输线的一端,隔离面作为另一端。TEM单元的几何构造对传输线的特性阻抗有决定性的影响。箱体是封闭的,除了很小的泄漏以外,单元外没有电磁场,因此这种单元可以不加外屏蔽地应用于任何环境。其主要缺点是其存在频率上限,这一上限频率与其物理尺寸称反比。当频率高于此上限时,其内部电磁场的结构中开始出现高次模,场的均匀性,尤其是在由TEM单元的确切尺寸决定的谐振频率处的场均匀性,也开始变差。TEM单元能够测量的最大EUT尺寸受其内部可用的场强均匀区域体积的限制,因此最大EUT尺寸和该单元可测的最高频率之间有着直接关系。TEM单元的最低测量频率可到DC,这也是它与辐射天线测量法的不同之处。

表2:TEM单元法的频率上限

带状线法和三平面法

这两种方法与TEM单元法有本质的区别。TEM单元法属于封闭型测量方法,而带状线法和三平面法所采用的测试装置则是开放式传输线。也就是说,在采用这两种方法时,最大场虽然位于平面之间,但仍有能量辐射到测试装置外部,因此测试必须在一间屏蔽室内进行。ISO 22452-5 和 SAE J2223/23中均对带状线测试有所描述,而三平面测试只在 SAE J2223/25中提到。

在带状线测试中,被测部件模块只对连接它与相关设备的电缆装置暴露,并不暴露在平面间的最大场强处。带状线平面作为传输线的源导体,其下放置2.5米的电缆装置,测试的参考地平面则作为另一端导体。带状线产生的场会在电缆装置中感应出经向电流,然后耦合入EUT。因此,带状线测试几乎算是辐射场测试和传导测试这两种方法的混合。

三平面测试装置中,一个有源内导体被两个外平面夹在中间,产生的阻抗可通过计算得到。被测模块放置于中心导体和一个外平面之间,中心导体的另一面置空。由于整个测试装置的结构是对称的,因此可在置空的这一面与EUT呈镜像位置的地方放置一个场强探头。和TEM单元测试一样,带状线测试和三平面测试装置均有一个受其尺寸限制的频率上限。在等于或高于由该理尺寸决定的谐振频率时,就会产生不受控制的电磁场高次模。这三种方法相对于辐射天线法的优势就在于,采用这三种方法时,只需要不多的功率就能够产生比辐射天线法大得多的场强,因为场强等于导体平面之间的电压除以它们之间的距离。

传导干扰测试

第二类测试方法叫做传导干扰测试,它不需在被测模块放置之处施加电磁场,而是直接将RF干扰施加在电缆装置或接入被测部件模块的装置中。这样一来,随着RF电流在电路结构中传输,部件模块与外部装置的连接处就会产生一个电流,从而在电子线路中造成干扰。这种方法与辐射场测试法虽然结果类似,但二者之间没有任何等同之处,因此这两种方法都常用于进行完整测试,有时两种测试的频率范围还有重叠。传导干扰测试最常采用的两种耦合方法有电流注入法和直接注入法,前者需要向EUT中注入干扰电流,并控制注入电流的大小,后者则注入功率并控制注入功率的大小。

电流注入法

BCI法在ISO 22452-4和SAE J2223/4中均有描述,采用该方法时,将一个电流注入探头放在连接被测件的电缆装置之上,然后向该探头注入RF干扰。此时,探头作为第一电流变换器,而电缆装置作为第二电流变换器,因此,RF电流先在电缆装置中以共模方式流过,然后再进入EUT的连接端口。

真正流过的电流由电流注入处装置的共模阻抗决定,而在低频下这几乎完全由EUT和电缆装置另一端所连接的相关设备对地的阻抗决定。一旦电缆长度达到四分之一波长,阻抗的变化就变得十分重要,它可能降低测试的可重复性。此外,由于电流注入探头会带来损耗,因而需要较大的驱动能力才能在EUT上建立起合理的干扰水平。尽管如此,BCI法还是有一个很大的优点,那就是其非侵入性,因为探头可以简单地夹在任何直径不超过其最大可接受直径的电缆上,而不需进行任何直接的电缆导体连接,也不会影响电缆所连接的工作电路。

图2:电流注入法测试装置

直接注入法

BCI法对驱动能力要求过高,而且在测试过程中与相关设备的隔离也不好,直接注入法的目的就是克服BCI法的这两个缺点。具体做法是将测试设备直接连接到EUT电缆上,通过一个宽带人工网络将RF功率注入EUT电缆,而不干扰EUT与其传感器和负载的接口,该BAN在测试频率范围内对EUT呈现的RF阻抗可以控制。BAN在流向辅助设备的方向至少能够提供522W的阻塞阻抗。干扰信号通过一个隔直电容,直接耦合到被测线上。ISO 22452-7和SAE J2223/3中描述了该方法。

图3:干扰直接注入法测试装置

汽车部件EMI测试的测试参数

在车辆部件的EMI测试中,根据不同车辆厂商所提出的不同要求,除了引入干扰信号的基本方法有所不同以外,还有许多参数也会有所不同。但不论RF干扰怎样产生,这些参数都是相关的。

频率范围

受测试方法本身及其所用换能器的限制,上述的每一种方法都只适用于一个既定的频率范围。表2列出了

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