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[讨论] 接地在汽车EMC中的作用

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一粒金砂(初级)

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发表于 2017-6-17 19:43:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
本文讨论汽车中的接地问题。首先回顾典型的汽车接地系统的组成,它们要实现的功能以及到目前为止已知的缺陷。列出了一些汽车上的辐射源,并讨论了接地对于减小这些辐射所发挥的作用。
1 概述
自从1860 年把电能用于点火, 汽车就开始了向周围电磁环境发射电磁骚扰的历史。当今汽车,尤其是发动机点火系统,面临着电磁兼容的巨大挑战。在设计的过程中,为了保证汽车各部分协调工作,相互兼容,要遵循国际、国家和地方的各种电磁兼容性标准,另外,EMC工程师还必须考虑乘客舒适性,包括无线电娱乐设备,车载电话,GPS,防爆装置(雷达和激光雷达),以及其他将在以后的职能汽车应用到的先进设备。
汽车电子系统中的“地”不只发挥一种功能,这个术语通常用来指一些汽车上导体,它们有如下功能:
1 提供一个电流回路
2 为模拟传感器和数字逻辑电路提供参考电压
3 调频和调幅天线的地网
4 用于屏蔽射频旁路电流
5 静电保护
本论文回顾了影响车辆系统接地的因素,并且举例说明一些关键因素的作用。
2 汽车接地系统2.1 概况
如图1所示,汽车供电系由蓄电池、发电机和典雅调节器组成,它是汽车电系的电源系统,为汽车电系提供足够的电功率和稳定的工作电压。汽车供电系由蓄电池和发电机并联供电。当发电机运行时,它输出电流驱动直流负载,但是发电机的内部电容过大,从而它无法输出快速的开关电流。那么这个任务就得由蓄电池来完成。
另外,汽车接地系统首要考虑的问题就是要保证起动机正确运行,因此我们还得考虑起动机的要求。为了确保起动电机能够在寒冷的天气下动作,其电流回路必须在电池负极到起动机接地(一般使发动机体)之间呈现为直流低阻特性。起动机和蓄电池的安装位置可能在这个地导体之间产生额外不利的电流回路。

2.2 接地元件
在车上,许多部件都专门用于接地,包括车身金属体,发动机本体,配线以及蓄电池。
2.2.1 车身金属体
尽管现在车身材料越来越趋向于使用复合材料或者塑料面板,但当今汽车车身仍然大面积使用金属。因为它的尺寸,形状和方便的布局(例如接近大多数电气设备),车身金属体在提供电流回路、参考电势、屏蔽和削弱噪声方面具有独到之处。要设计一个好的汽车接地系统,其目标就是使车身金属体的作用发挥到极致。
由于车身的外形独特,表面积大,因此它本身就是一个巨大的电容器,现已验证,车身金属体可以吸收高频小幅值电流。然而,这样做存在普通阻抗耦合,特别是有电流穿过车身上接合的地方时。此外,如果把车身金属体作为通用电流回路,而不是做某些特定的电流回路将不单不能发挥其长处,反而会增加一个重要的辐射源。美国俄亥俄州州立大学及美国Daimler-Chrysler公司曾做过实验,发现如果车身金属体只是给一般的点火电流提供回路,那么其表面电场并不稳定,有明显的干扰毛刺,这是由于电流通过汽车挡板时会在无线电娱乐设备中产生噪声。而如果汽车外加一个部件,使电流回路避开了离挡板近的车身金属体的话,此时其表面电场是非常稳定的。
车身金属体还可以屏蔽低频电容。在频率超过千赫的情况下,由于车身金属体本身具有一定的厚度,因此它也会对发动机盒起到一定的电磁屏蔽作用。另外,它还是汽车与照明系统、外界ESD干扰以及其它车外的辐射源屏蔽的主要导体。然而,如果车身采用一般的构造,那么这种屏蔽无法实现的可靠电气整体性。金属板之间的连接可能是靠焊点、非导体防腐插入层或非导体油漆。理想情况下,固定的金属板通过电气结合,可移动的金属板(车篷和门)是通过辅助导体(接地母线)连接的。车身金属体应该通过一个牢固的低阻抗线束连接到电池负极。
2.2.2 发动机体和气缸盖
汽车发动机体和气缸盖中有多种电气信号。它们之间除了可能产生传导耦合之外,一些信号可以通过回路引线电感在发动机装置和车身金属体之间产生电压。这个电压能够对发动机内的电子设备产生辐射或者电容耦合。
发动机和气缸盖在物理上是通过很多大直径螺栓紧密连接,但连接处的电气特性一般都比较差。气缸盖垫圈经常是绝缘的,其外表通常采用劣质导体。发动机体与其他发动机组件之间的连接处(包括发电机机架,阀门盖和节气门体)都是不可控的,并且在发动机工作过程中随时可能发生变化。
2.2.3 配线
由于发动机和汽车部件的尺寸较大,那么在高频情况下必然产生接地阻抗。而且这些部件之间的距离很大(米的数量级),因此电流回路的电感问题也很难消除。通常情况下,配线的电感达到几十nH/inch,另外很多汽车部件的感性容量的数量级都可达μH。那么在汽车系统中几安培或者更大、频率高于100KHz的电流可能在电流回路中产生很大的压降。
2.2.4 蓄电池
蓄电池除了可以储存电能,它还可以抑制一些噪声。在低频时,铅酸电池每100Ah呈现为1-2F的容抗。当与发电机并联放置时,该电抗将有利于减少汽车充电系统产生的低频噪声。高频状态下,电池内的反应更复杂。在25kHz到250kHz的范围内,蓄电池呈现容性(几十nF),并且基本不随频率不变。据观察,有效电容数量级的变化次序是与蓄电池的负荷状态及大小有关的。高频状态下,用串联LC电路来等效蓄电池的电抗是最佳的。此时,如果频率高于1MHz,那么很可能发生串联谐振。也正因为此,不能应用蓄电池来抑制调幅广播波段或更高的无线电频率噪声。
图2 点火系统简图
3 汽车EMC要考虑的问题
据上所述,汽车本身有许多辐射源和敏感元件。由于篇幅限制,在这部分中,我们只讨论汽车环境中比较特殊的元件。
3.1 点火装置
汽车的初级和次级点火电路是最常见的发射源。由于这两级电路经过点火线圈耦合之后,它们的波形完全不同,在此对其进行分别介绍。
初级点火电路包括一个电流源(蓄电池或交流发电机),点火线圈和一个触发装置(通常用发动机控制器)。现在的大多数汽车上的点火系统都采用的结构简图如图3所示。对于这种电路来说,与EMC首要相关的是线圈电流波形的下降沿。
图3给出了点火线圈初级的电流、电压波形。这部分波形包含有效的高频能量(100KHz及其以上),它受地回路线束的电感影响。
图3 点火线圈初级的电压、电流波形
次级点火电路包括点火线圈,火花塞,气缸盖和其他导体,等效电路如图4所示,这个回路包括发动机组和发动机控制模块,它还包括一个1pH的接地电感,它能触使发动机组和控制模块对蓄电池有几伏的电势差。在这里,用等效串联电压源表示由初级电压。尽管在足够高的频率下也会发生电容和辐射损耗,但是还是可以把到蓄电池的电流回路用一个等效电感来表示;Cc表示通过线圈的寄生电容。在图中,看不出次级通过点火线圈电容耦合到初级。而这种实际存在的耦合方式既可以增加辐射电压,也会引入更多的传导耦合到电子系统当中。
如果我们尽量减少闭环回路的面积,以及合理摆放元件以缩短其间的引线距离,那么这个问题可以得到一定缓解。另外,在流经蓄电池负极的电流回路中,不能用其他的任何导体作为参考电位,车身金属体也不可以。
在汽车产生信号中,次级点火电路的信号是独一无二的,因为其频谱范围可高达1GHz左右。因此它尤其可能成为一个辐射源,但是它与发动机其他部件的传导耦合也是辐射源。
图2和图4给出了次级点火电路高频发射信号的产生机理。蓄电池给点火线圈的初级绕组供直流电。发动机的初级绕组和次级绕组采用自耦变压器结构。发动机控制器中的电子开关驱动导通初级绕组需要一定的时间。都知道,初级电压被放大的倍数为匝数比(一般为几百),在次级产生几十kV的电压。因此在线圈高边和气缸盖之间加一个RF抑制电容Crf。
图4 点火系统次级等效电路
火花塞RF特性可以用以下模型描述:(1)一个等效电弧阻抗L,它可以用来描述表示流过火花隙的非线性时变电流,(2)由火花塞外部带螺纹的金属包皮和内部铁芯构成的同轴电容器。实际上,电弧不放电时火花隙是断开的,在此我们用一个开关来表示。在开关闭合后,电容Cp快速地通过间隙放电。
3.2 车载无线娱乐系统
车载无线娱乐设施包含了一个屏蔽的连接单极天线的高增益放大器。无线设备对从kHz到MHz范围的噪声敏感,而这个变化范围恰是汽车电气和机械系统产生噪声的范围。
同轴电缆连接无线设备和接收机,其外层导体在挡板(天线地网)和接收器架之间形成一个连续屏蔽层。虽然汽车的设计者一般不知道接收器机架内部的连接,但是可以认为接收器机架也通过接地母线连到车身金属体上。车载无线娱乐系统中有几种接地。首先是同轴电缆外屏蔽层与车身金属体连接给单极天线提供地网。另外还需将同轴电缆与无线设备机架相连,这样可以将前者表层噪声电流转移到后者上来,为天线信号提供回路。如果无线设备机架和车身之间没有连接,其大面积的金属部分将会与车身金属产生容性耦合,车身金属上的噪声可能影响接收器的基准电压。如果同轴电缆的外层导体没有和接收器以及无线设备机架形成良好的连接,噪声电流将耦合到接收器。最后,如果接收器和无线设备机架没有共地,无线设备机架上的噪声电流将会在接收器上产生容性耦合。
3.3 供电系统3.3.1 供电系统结构
在图1所示的传统供电系统中。发动机体与电池负极之间的这个起动机,它直径大,但具有低阻特性,提供回路让电流回到发动机体、蓄电池负极。要设计一个好的接地系统可能面临两个难题。第一,由于蓄电池和起动机的尺寸和安装位置,回路中需很长的引线,这可能产生很大的接地电感;第二,发动机体的电阻可变,因为它是由很多结构上独立的部分组成的(如机身、机盖、歧管及其支架),而且它们之间连接处的电气特性在装配过程中是不可控的,也并不是一层不变的。
3.3.2 供电系统组件
接地设计时还应该考虑发电机和电压调节器产生的噪声。这种噪声有几个来源:1.电机滑环断续接触时引起的电刷噪声;2.整流时产生的谐波噪声;3.整流二极管反接产生的脉冲噪声;4.励磁绕组通PWM信号时,在电压调节器上产生高频噪声。因为摩擦和皮带的机械移动导致静电荷移动,因此发电机的传动带也成了一个噪声源。这个小的噪声源会加剧发动机产生的其他大容性信号和辐射信号。
前面已经提到过,可以利用蓄电池内部的电容来消除发电机噪声,这种结构可以吸收低频噪声,但对高频噪声就失效了,因为电池有复杂的频率响应和很大的导线电感。为了提高高频抑制能力,应该在尽可能靠近发电机外壳处让噪声对地分流。而外壳与蓄电池负极间通路的阻抗要低,如果采用缩短连线及减少和其他电路的耦合的方法,那一定要谨慎!
3.4 非电气组件
前面讨论的都是汽车上的电气元件,而汽车上很多非电气部件也都是显著噪声辐射源,这是由于其尺寸、形状及安装特性的关系。这些部件包括发动机组和气缸盖、散热器、散热器芯和排气管。噪声信号可能通过感性器件、容性器件、传导元件和辐射过程耦合。
许多汽车的散热器都是通过绝缘橡胶套管固定到车身上,因此散热器就和参考电位在电气上隔离。散热器芯也是这个原理。而且,流动叶片还可以加剧容性耦合噪声。由于车载娱乐设施也在这附近,因此这种干扰对散热器芯的影响特别严重。为了抑制这些噪声源,散热器和散热器芯至少一点接地到车身上。现在越来越多的使用铝制散热器,又引发了新问题。在连接处尤其要谨慎选择材料,必须保证金属材料接触时电化腐蚀最小。
3.4.2 排气管
排气管通过排气歧管连接到发动机盖,它相当于单极天线,是发动机的地网。这种地网也能产生辐射,可以用跨接导体来减少这些对车身金属体的辐射。
4 结论
本论文回顾了接地技术在汽车中的应用。设计接地时必须考虑各种电子和机电装置,汽车电子驱动设备的数量和复杂性也在迅速增加,就给EMC工程师提出了更高的要求,他们需要综合消费者对成本、质量和进度的要求,设计出物美价廉的产品。


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