汽車電纜的電磁兼容性分析

1、一、概述    隨著汽車工業(yè)與電子工業(yè)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代汽車上，電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。今天的汽車已經(jīng)逐步進(jìn)入了電腦控制的時(shí)代。國外專家預(yù)測未來3 5年內(nèi)汽車上裝用的電子裝置成本將占汽車整車成本的25%以上，汽車將由單純的機(jī)械產(chǎn)品向高級的機(jī)電一體化產(chǎn)品方向發(fā)展，成為所謂的“電子汽車”。 眾所周知，汽車電子所工作的環(huán)境很惡劣：環(huán)境溫度范圍為40oC到125 oC或更高；振動和沖擊經(jīng)常發(fā)生；有很多噪聲源，如刮水器電動機(jī)、燃油泵、火花點(diǎn)火線圈、空調(diào)起動器、交流發(fā)電機(jī)線纜連接的間歇切斷，以及某些無線電子設(shè)備，如手機(jī)、尋呼機(jī)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。汽車電氣的的電磁兼容性變得很重

2、要。    在概念上，電磁兼容性(EMC包含系統(tǒng)本身對噪聲的敏感性以及噪聲發(fā)射兩個部分。噪聲可以通過電磁場的方式傳播從而產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過電氣連接線纜的寄生效應(yīng)傳導(dǎo)。如果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不干擾其它系統(tǒng)，也不受其它系統(tǒng)發(fā)射影響，并且不會干擾系統(tǒng)自身，那么所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是電磁兼容的。 在美國出售的任何電子設(shè)備和系統(tǒng)都必須符合聯(lián)邦通訊委員會(FCC制定的EMC標(biāo)準(zhǔn)，而美國主要的汽車制造商也都有自己的一套測試規(guī)范來制約其供應(yīng)商。其它的汽車公司通常也都有各自的要求，如： SAE J1113(汽車器件電磁敏感性測試程序給出了汽車器件推薦的測試級別以及測試程序。 SAE J 1

3、338則提供關(guān)于整個汽車電磁敏感性如何測試的相關(guān)信息。 SAE J1752/3和IEC 61967的第二和第四部分是專用于IC發(fā)射測試的兩個標(biāo)準(zhǔn)。 歐洲也有自己的標(biāo)準(zhǔn)，歐盟EMC指導(dǎo)規(guī)范89/336/EEC于1996年開始生效，從此歐洲汽車工業(yè)引入了一個新的EMC指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)(95/54/EEC。     1992年我國頒布了第一部規(guī)范汽車行業(yè)電磁兼容（EMI）試驗(yàn)的國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB14023-92，并于2000年頒布了修正版本GB14023-2000。為了規(guī)范汽車電子器零部件的抗干擾性，汽車電子電器零部件抗干擾性方面的標(biāo)準(zhǔn)GB/T17619-1998也及時(shí)出臺。因

4、此，近年來有關(guān)汽車EMT和EMC的試驗(yàn)技術(shù)研究便成為業(yè)內(nèi)新的研究熱點(diǎn)。中國汽研中心于2000年立項(xiàng)投資1000余萬元人民幣建設(shè)了電磁兼容試驗(yàn)室，并通過了國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委員會和國家商檢局實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委員會的雙重認(rèn)可。最近又有幾家汽車的的電磁兼容試驗(yàn)室相繼建成，如TUV，標(biāo)志著我國汽車EMC試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)研究向更深入、更全面的領(lǐng)域發(fā)展。由于電子元?dú)饧缀纬叽绮粩鄿p小，以及時(shí)鐘速度的不斷增加都會導(dǎo)致器件發(fā)射超過500MHz的時(shí)鐘諧波，因此EMC設(shè)計(jì)非常重要。檢查汽車對于電磁輻射的敏感性，應(yīng)該確保整個汽車在20到1000MHz的90帶寬范圍內(nèi)參考電平均方根值限制在24V/米的以內(nèi)，在整個帶

5、寬范圍以內(nèi)的均方根值在20V/米以內(nèi)。在測試過程中要試驗(yàn)駕駛員對方向盤、制動以及引擎速度的直接控制，而且不允許產(chǎn)生可能導(dǎo)致路面上任何其他人混淆的異常，或者駕駛員對汽車直接控制的異常。     電纜及設(shè)備會對其他元件產(chǎn)生干擾或被其他干擾源嚴(yán)重干擾，汽車用電線電纜本身為無源器件，自身不產(chǎn)生電磁干擾，但可能會作為噪音的寄生和引導(dǎo)，或成為干擾信號的發(fā)射源和接收源。汽車用電線電纜的抗干擾性成為汽車電子電磁兼容的重要組成部分。二、汽車內(nèi)電磁場和干擾    汽車內(nèi)存在大量干擾源，從一般開關(guān)電源到微處理器，從高壓火花線圈到這車載無線電系統(tǒng)，一般開關(guān)電

6、源的工作基頻一般在2kHz至500kHz之間。開關(guān)電源在其工作頻率1000倍的頻率處仍具有很強(qiáng)的發(fā)射是常見的。這將干擾包括調(diào)頻廣播在內(nèi)的廣播通信。由16MHz時(shí)鐘微處理器或微控制器產(chǎn)生的發(fā)射頻譜通常會在200MHz甚至更高的頻率超過發(fā)射極限值。目前，由于微處理器采用400MHz甚至1GHz以上的時(shí)鐘頻率，因此數(shù)字技術(shù)必然會對高端頻譜產(chǎn)生干擾。之所以會發(fā)生以上各種現(xiàn)象，是因?yàn)樗袑?dǎo)體都是天線。它們把傳輸?shù)碾娔苻D(zhuǎn)變成電磁場，然后泄漏到廣闊的環(huán)境中。同時(shí)，它們也能把其周圍的電磁場轉(zhuǎn)變成傳導(dǎo)電信號。因此，導(dǎo)體是信號產(chǎn)生輻射發(fā)射的主要原因，也是外來場使信號受到污染的原因（敏感度和抗擾度）。電場（E）由導(dǎo)

7、體上的電壓產(chǎn)生，磁場（M）由環(huán)路中流動的電流產(chǎn)生。導(dǎo)體上的各種電信號均可產(chǎn)生磁場和電場，因此，所有導(dǎo)體都可將其上的電信號泄漏至外部環(huán)境中，同時(shí)也將外部場導(dǎo)入信號中。在遠(yuǎn)大于所關(guān)心頻率的波長（）的1/6處，電場和磁場匯合成包含電場和磁場的完整電磁場（平面波）。例如：對于30MHz，平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1.5m；對于300MHz，平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在150m；對于900MHz，平面波的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在50m。因此隨著頻率的增加，僅僅把導(dǎo)體視為電場或磁場的發(fā)射和接收器是不夠的。 隨頻率增加的另一個效應(yīng)是：當(dāng)波長（）與導(dǎo)體的長度比擬時(shí)，會發(fā)生諧振。這時(shí)信號信號幾乎可以100%轉(zhuǎn)換成電磁場（或反之）。例如，標(biāo)準(zhǔn)的振子天

8、線僅是一段導(dǎo)線，但當(dāng)其長度為信號波長的1/4時(shí)，便是一個將信號轉(zhuǎn)變成場的極好的轉(zhuǎn)換器。很明顯，在常用的頻段內(nèi)，即使很短的導(dǎo)體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問題。可以看到，在100MHz處，1米長的導(dǎo)體就是很有效的天線，在1GHz處，100mm的導(dǎo)體就成為很好的天線。前幾年，汽車中廣泛使用的頻率都較低，典型的導(dǎo)線不能成為很有效的天線，隨頻率增加的一個效應(yīng)是：當(dāng)波長（）與導(dǎo)體的長度比擬時(shí)，會發(fā)生諧振。這時(shí)信號信號幾乎可以100%轉(zhuǎn)換成電磁場（或反之）。在常用的頻段內(nèi)，即使很短的導(dǎo)體也能產(chǎn)生發(fā)射和抗擾度問題?？梢钥吹剑?00MHz處，1米長的導(dǎo)體就是很有效的天線，在1GHz處，100mm的導(dǎo)體就成為很好的天

9、線。三、屏蔽汽車電線電纜結(jié)構(gòu)性能要求1.  導(dǎo)體和絕緣結(jié)構(gòu)    和一般高頻線纜不同，汽車電線導(dǎo)體必須采用多根絞合結(jié)構(gòu)，以便提高其抗震動能力，但這樣對其傳導(dǎo)性有一定影響。對于絕緣材料，傳統(tǒng)汽車電線是采用PVC，由于PVC 的介電損耗較大，不適應(yīng)高頻傳輸，所以應(yīng)采用PE、PP，特別是對特性阻抗有要求的對絞線。近年來，也趨向采用氟塑料。氟塑料具有較高的耐熱性、阻燃性、機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，特別適合汽車內(nèi)環(huán)境，而且還具有優(yōu)異的介電性能，介電損耗比通常的PE 還小。2汽車電路傳輸方式    汽車內(nèi)電氣傳輸方式一般分為不對稱傳輸和對稱傳輸

10、兩種，汽車電路多數(shù)是單線制回路，采用公共接地網(wǎng)絡(luò)，信號的傳輸是不對稱的，這是因?yàn)槠嚿虾芏嘈盘柸允堑皖l或低速率的，其信號并非很容易引起發(fā)射或受到干擾，而且汽車上的布線空間非常緊張，這樣的信號在多芯電纜中以單根導(dǎo)線傳送可以節(jié)省成本，減少空間占用。在傳輸高速率的信號時(shí)，如音頻、視頻、數(shù)據(jù)總線，應(yīng)采用對稱回路。對稱傳輸由一對對稱的雙絞線形成回路。雙絞線中的絞合線對在可以靠自身的絞合來抵抗外來干擾及線對之間的串音，而且線路均勻性高，阻抗均勻，容易和設(shè)備匹配。當(dāng)特性阻抗在互聯(lián)電纜的全長上都保持恒定，且驅(qū)動和/或輸出阻抗（源端和負(fù)載端）與特性阻抗匹配時(shí)，就形成了受控阻抗的傳輸線，這種傳輸線不會發(fā)生諧振。導(dǎo)

11、線的固有電感與電容也不會帶來太多問題。，可以有效降低反射衰減和噪音。但在高頻情況下或外界干擾較大時(shí)僅靠線對絞合已無法達(dá)到抗干擾的目的，必須屏蔽才能夠抵抗外界干擾。3.  對稱回路電纜傳輸機(jī)理    對稱回路主要用于音、視頻模擬信號和高頻數(shù)字信號，如汽車音響、數(shù)據(jù)總線等，傳輸信號比較弱、頻率比較高。對稱回路的傳輸質(zhì)量，主要決定線路傳輸參數(shù)Zc波阻抗（也叫特性阻抗）和衰減系數(shù)，A近端串音衰減屬于二次參數(shù)，而二次參數(shù)決定于一次參數(shù)和信號頻率。一次參數(shù)決定于電纜結(jié)構(gòu)。一次參數(shù)包括：R回路電阻，L電感，C電容，G絕緣電導(dǎo)。線路衰減和串?dāng)_都和傳輸長度成正比，由于汽車

12、內(nèi)線路傳輸距離很短，衰減和串?dāng)_不是問題，可以只考慮特性阻抗。在傳輸頻率f30kHz時(shí)，lR，CG  對稱回路的電感計(jì)算：    當(dāng)回路通以信號時(shí)，則在回路的導(dǎo)電線芯中和回路周圍產(chǎn)生磁通，導(dǎo)電線芯內(nèi)的叫內(nèi)磁通，導(dǎo)電線芯外的叫外磁通。電感為磁通與引起磁通的電流I之比，所以相應(yīng)的內(nèi)外磁通亦有內(nèi)外電感（L內(nèi)和L外），總電感為L = L內(nèi) + L外。    L內(nèi)=Q（x）*10-4（H/km）       Q（x）是和x =Kd/2  相關(guān)的特定函數(shù)。其中

13、；K為導(dǎo)體內(nèi)渦流系數(shù)。d為導(dǎo)體直徑。 其中：    為磁導(dǎo)率， = 4×10-7（H/m）              為電導(dǎo)率， =57.2（S m/mm2）              f為頻率，當(dāng)頻率較大時(shí)，x 10， 并趨近于0。L外是導(dǎo)線外（與回路本身所交鏈的）磁通與流過被交鏈導(dǎo)線中

14、電流之比，即L外=/I?；芈穬蓪?dǎo)線中，由導(dǎo)線阿電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為 ，由導(dǎo)線b中電流所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度為 。    L外 = 回路兩導(dǎo)線r=rb=d/2 ，由于回路中間為非磁性介質(zhì)，=r0=4*10-7亨/米，則L外= 。   式中：總的絞合系數(shù)；    回路兩導(dǎo)線中心間距離（毫米）；    d 導(dǎo)電線芯直徑（毫米）；    可以看出外電感決定于導(dǎo)電線芯的直徑和導(dǎo)電線芯間的距離，內(nèi)電感決定導(dǎo)電線芯本身的特性

15、（如導(dǎo)線直徑、材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率）和傳輸電流的頻率，還有他倆也都和絞合的情況有關(guān)。對稱回路的電容計(jì)算：回路的電容和一般電容器的電容相似，兩根導(dǎo)線相當(dāng)于兩個極板，導(dǎo)線間的絕緣相當(dāng)于電容器極板間的介質(zhì)。因此導(dǎo)線上帶有的電荷的電量Q與兩導(dǎo)線間的電位差U之比，為該回路的電容，即C =Q/U 。孤立二導(dǎo)線間的工作電容。導(dǎo)線a上的電荷Q在距導(dǎo)線a為r點(diǎn)的電場強(qiáng)度Ea = 導(dǎo)線b上的電荷Q在同一點(diǎn)的電場強(qiáng)度為Eb = 則該點(diǎn)的總的電場強(qiáng)度為 因此回路間的電位差：  回路中兩導(dǎo)線rrbd/2 ，則有     則孤立回路的工作電容為：

16、60;        把，代入上式可得：    式中：r組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)；    a 回路兩導(dǎo)線中心間距離（mm）；    d 導(dǎo)體直徑（mm）；可以看出工作電容與導(dǎo)體直徑、線間距離和絕緣介質(zhì)有關(guān)。   特性阻抗可以近似用下列公式求得：     這樣看來影響特性阻抗值和工作電容的都是絕緣外徑（外徑可以看成和導(dǎo)線間距a相等）、

17、導(dǎo)體直徑、組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)（r）。只要控制好了尺寸和r的值，也就能控制好了Zc和C；在尺寸不變的情況下，采用不同絕緣材料，Zc和C變化較大，r增大，電容增大，特性阻抗減小，絕緣外徑增大，電容減小，特性阻抗增大。因?yàn)樘匦宰杩故且粋€比較難于測量的參數(shù)，但在材料的相對介電常數(shù)不變的情況下，可以通過測量和控制工作電容來估算出特性阻抗。工作電容和特性阻抗成反比。如一些材料如聚烯烴、氟塑料的介電常數(shù)非常穩(wěn)定。所以只要控制好結(jié)構(gòu)尺寸，工作電容和特性阻抗是均勻的，穩(wěn)定的，而且比值恒定。如聚乙烯的相對介電常數(shù)為2.3，測的工作電容為50×10-12 F/m則 Zc 100。一般高頻線纜都

18、不采用聚氯乙烯，是因?yàn)榫勐纫蚁┗旌衔锝殡姵?shù)大，且不穩(wěn)定，所以工作電容和特性阻抗難于控制。    以上只是從理想狀態(tài)中分析特性阻抗。而實(shí)際生產(chǎn)控制中，單線導(dǎo)體和外徑的均勻性對ZC的波動也是很重要，絞對和成纜的節(jié)距及節(jié)距的穩(wěn)定性，對特性阻抗也有很大影響，屏蔽層的松緊度及松緊的均勻性、厚度等也會很大程度的影響特性阻抗。     一般規(guī)定的特性阻抗在100150之間，偏差在+15是很有它的必要性，是由它與外界阻抗的匹配要求和它本身在各個方面與衰減性能的相反性而決定的。特性阻抗不好，一方面說明自身均勻性不好，同時(shí)

19、和終端器件難于匹配，造成衰減增大和和反射干擾。3.  不對稱回路電纜傳輸機(jī)理不對稱回路的渡傳輸參數(shù)非常復(fù)雜，且和線路連接方式關(guān)系密切，一次參數(shù)和二次參數(shù)都變化很大，一般無法控制，所以回路間耦合和干擾比較大，一般不適合傳輸高頻和微弱的信號。四、  屏蔽分析1. 屏蔽機(jī)理    所謂屏蔽就是利用金屬材料將干擾源和被干擾線路個開，并借以減弱干擾電磁場的一種方法。按屏蔽的作用原理，電纜的屏蔽分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽和電磁屏蔽。靜電屏蔽的作用是使電場終止于屏蔽的金屬表面上，并將電荷送入地，其效果和接地質(zhì)量有關(guān)。靜磁屏蔽的作用是使磁場限制于屏蔽內(nèi)，它是由強(qiáng)磁

20、材料制成。靜電屏蔽和靜磁屏蔽只在低頻下有效，頻率增高需采用電磁屏蔽。電磁屏蔽的原理由電磁波的反射衰減和屏蔽層內(nèi)能量損耗造成。既反射屏蔽和吸收屏蔽屏蔽作用的大小可用屏蔽系數(shù)表示。其值等于有屏蔽層時(shí)，被屏蔽空間內(nèi)某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度E，或磁場強(qiáng)度H，與沒有屏蔽層時(shí)的該點(diǎn)的電場強(qiáng)度E或磁場強(qiáng)度H之比。屏蔽系數(shù)： 屏蔽作用的大小還可以以干擾電磁場通過屏蔽層的衰減值來表示，屏蔽衰減：20 lg  (dB屏蔽效果的理論計(jì)算是非常復(fù)雜的，是個雙曲函數(shù)，下面是單層屏蔽的簡化公式。對稱回路的屏蔽系數(shù)可用下式計(jì)算：  不對稱回路的屏蔽系數(shù)可用下式計(jì)算：As Kt其中：K屏蔽層金

21、屬的渦流系數(shù)（1/mm）， ；T屏蔽金屬的厚度（mm）；rs屏蔽體半徑    對稱回路比不對稱回路的屏蔽衰減多第二項(xiàng)，是因?yàn)閷ΨQ回路有反射，而不對稱回路用地作回路，不存在反射。從以上公式可以看出，增加金屬的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率都可以增強(qiáng)屏蔽效果。以上只是單層屏蔽，下圖是不同屏蔽結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算曲線。 2. 屏蔽方式編織網(wǎng)狀屏蔽     網(wǎng)狀屏蔽在保持良好的柔韌性及抗撓壽命的同時(shí)，提供了超群的結(jié)構(gòu)整體性。這些屏蔽對于降低低頻干擾是理想的選擇，比起箔層屏蔽來說，降低了直流阻抗。網(wǎng)狀屏蔽在音頻以及射頻范圍非常有效。通常，網(wǎng)

22、狀屏蔽覆蓋率越高，屏蔽效果就越好。編織網(wǎng)屏蔽層在多數(shù)頻率范圍內(nèi)都比箔帶要好得多，但當(dāng)頻率超過10MHz時(shí)，其性能逐漸變差。纏繞屏蔽    是一 種螺旋形屏蔽， 這種屏蔽柔軟性好，密度高，屏蔽效果和編織網(wǎng)狀屏蔽相當(dāng)。且節(jié)省銅材，端接容易，生產(chǎn)效率高。但結(jié)構(gòu)不如編織網(wǎng)狀屏蔽穩(wěn)定。不適合較大直徑的屏蔽。箔層屏蔽    箔層屏蔽是由聚酯或聚丙烯薄膜上附著一層鋁箔形成。這層薄膜給屏蔽提供了機(jī)械強(qiáng)度及良好的絕緣性能。箔層屏蔽可100覆蓋電纜。由于它們的體積小，箔層屏蔽可用于多對數(shù)電纜的單線對屏蔽以減少相互的串?dāng)_。箔層屏蔽重量輕、體積小，比網(wǎng)狀屏蔽

23、造價(jià)低，在射頻范圍內(nèi)通常更加有效。箔層屏蔽比起網(wǎng)狀屏蔽的柔韌性更好，但抗撓壽命較短。與箔層屏蔽一起使用的接地線，使端接更加容易，并將靜電釋放入大地。箔層屏蔽一般是在護(hù)層上粘合一層附著物。粘合的優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)行更加快捷、方便及可靠地端接。此外，粘合還能防止屏蔽層下的水分發(fā)生擴(kuò)散。如果電纜護(hù)套破損，粘合的屏蔽還能幫助保護(hù)電纜絕緣層免受污染。屏蔽層為螺旋纏繞箔帶的電纜在所有頻率都不理想，當(dāng)頻率超過1MHz時(shí)，其性能逐漸變壞。箔帶軸向包裹的屏蔽層比螺旋纏繞箔帶要好得多。組合屏蔽    組合屏蔽包括多層屏蔽。它們能夠在整個頻譜提供最大的屏蔽效果。箔層/網(wǎng)狀屏蔽結(jié)合了箔層屏蔽10

24、0的覆蓋范圍與網(wǎng)狀屏蔽的機(jī)械強(qiáng)度和低直流阻抗等優(yōu)點(diǎn)。其他現(xiàn)有的組合屏蔽包括各種箔層/網(wǎng)狀/箔層設(shè)計(jì)、網(wǎng)狀/網(wǎng)狀或網(wǎng)狀/螺旋設(shè)計(jì)等。在箔帶上覆蓋一層編織網(wǎng)、雙層編織網(wǎng)或三層編織網(wǎng)均比單層編織網(wǎng)好得多，但均在大于100MHz時(shí)逐漸變差。    兩層或更多層相互隔離開的屏蔽層更好一些，但僅限于大約10MHz以下，在較高頻率，屏蔽層之間的諧振將降低其屏蔽效能，因此在某些頻率它可能比單層屏蔽更差。實(shí)心銅屏蔽層（比如，半剛性屏蔽層，剛性屏蔽層）比編織網(wǎng)類好得多，其屏蔽效能在高頻時(shí)不斷增加，這不象編織網(wǎng)或箔帶，超過某一頻率后開始下降。圓形金屬導(dǎo)管可用來增強(qiáng)極高頻率處的屏蔽特性?！俺壠帘巍彪娎|采用編織網(wǎng)屏蔽層與(金屬或類似的高導(dǎo)磁率材料包裹層組合起來。其性能與實(shí)心銅屏蔽層一樣好，甚至更好，而同時(shí)還有一定的柔韌性。但其價(jià)格昂貴，僅適合于性能比價(jià)格更重要的場合（比如航空、軍事）。對于不同的干擾場，應(yīng)選用不同的屏蔽方式。電纜屏蔽必須對整條電纜在360°范圍內(nèi)覆蓋。目前，要以較低的成本使電纜屏蔽具有較高的效果越來越困難，除非信號線的干擾很小或不敏感。3 屏蔽效果的測試    對于屏蔽效果的測試和評價(jià)除了編織密度、覆蓋率等外，客觀的評價(jià)指標(biāo)主要為屏蔽系數(shù)S和屏蔽衰減。屏蔽效果的測量方法一般采用三同軸法、吸收鉗