《工程電磁兼容》課件-第13章

第13章電磁兼容診斷與整改13.1電磁兼容診斷基本內(nèi)容

13.2電磁兼容三要素及診斷原理13.3源頭診斷法(PCB板的設(shè)計診斷)13.4接口診斷法13.5試驗診斷法13.6電磁兼容診斷常用工具13.7整機(jī)系統(tǒng)診斷法習(xí)題

13.1電磁兼容診斷基本內(nèi)容

電磁兼容設(shè)計是從產(chǎn)品的電磁特性出發(fā),采取各種措施來保證系統(tǒng)的電磁兼容性。而電磁兼容診斷則是當(dāng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或系統(tǒng)出現(xiàn)不兼容現(xiàn)象后,根據(jù)其超標(biāo)或故障現(xiàn)象,測量其基本參數(shù),分析問題產(chǎn)生的原因,進(jìn)而采取相應(yīng)的措施。

電磁干擾類型多、范圍大,從探測不到的微弱信號的干擾到高強(qiáng)度干擾,一般將其分為輕微干擾、中等強(qiáng)度干擾和破壞性干擾三個等級。對于車載系統(tǒng)而言,外界電磁波造成收音機(jī)雜音和顯示儀表出現(xiàn)條紋屬于輕微干擾,這種干擾隨外界環(huán)境的變化而變化,基本無破壞作用。而外界大功率發(fā)射裝基站、雷達(dá)等的輻射發(fā)射可能引起ECU\TCU\ABS等關(guān)鍵設(shè)備失控,造成車毀人亡的嚴(yán)重后果,這屬于造成嚴(yán)重故障的干擾情況。而大多數(shù)情況下,電磁干擾都是中等強(qiáng)度的,例如發(fā)電機(jī)工作增加信號傳輸?shù)恼`碼率,靜電放電(ESD)對駕駛員儀表形成閃屏、黑屏干擾等。隨著各種大型復(fù)雜系統(tǒng)性能的不斷提高以及其復(fù)雜性的不斷增加,由電磁干擾帶來的系統(tǒng)可靠性、故障診斷等問題越來越受到重視。

電磁兼容故障診斷涉及的知識領(lǐng)域較廣,對人員的要求也較高,通常需要產(chǎn)品相關(guān)設(shè)計人員和試驗人員的積極配合。當(dāng)前,對于EMC問題的迅速認(rèn)知基于兩個方面：

一方面是測試認(rèn)證試驗出現(xiàn)超標(biāo)或敏感現(xiàn)象,另一方面是系統(tǒng)使用過程中發(fā)生問題,要求對事件的狀態(tài)進(jìn)行評估,同時也需要對產(chǎn)生的問題在設(shè)備全壽命期出現(xiàn)的概率和風(fēng)險做出預(yù)測。特別是在電磁兼容試驗中,經(jīng)常出現(xiàn)無法通過試驗的情況,如何判定問題所在,如何確定干擾位置,并及時排查和整改,是電磁兼容診斷的主要任務(wù)。

其次,當(dāng)系統(tǒng)連接并工作時,多個設(shè)備一起工作,需要診斷和識別EUT的哪個面或哪幾個面對外發(fā)射最強(qiáng),哪幾個最敏感,特別需要考慮每個設(shè)備的不同發(fā)射情況和相應(yīng)電纜的狀態(tài),建立直接和間接測量的干擾源參數(shù),基于相同性質(zhì)的類似參數(shù),利用關(guān)聯(lián)矩陣模型,判別和分析對初始干擾源的抑制措施和耦合路徑的設(shè)計是否合理準(zhǔn)確,識別可能不符合電磁兼容性設(shè)計的干擾源特征,評估系統(tǒng)的電磁發(fā)射狀態(tài)和敏感狀態(tài)。

值得注意的是,即使部件分系統(tǒng)通過了GB18655、GJB151、MILSTD461等標(biāo)準(zhǔn)測試,也并不能確保系統(tǒng)兼容性,它只能提供標(biāo)準(zhǔn)符合的可能性,對系統(tǒng)實際應(yīng)用來說,仍然需要對系統(tǒng)EMC問題保持警惕。例如,在車載通信系統(tǒng)和車載激光武器之間存在著EMC問題。這并不是部件PCB設(shè)計失敗導(dǎo)致的問題,而是由EMC系統(tǒng)工程的失敗導(dǎo)致的。民用EMC技術(shù)依靠高速PCB設(shè)計,而軍用EMC的成功依靠更基本的系統(tǒng)工程問題,比如接地和屏蔽的系統(tǒng)規(guī)劃。

13.2電磁兼容三要素及診斷原理

電磁兼容診斷技術(shù)需要從電磁干擾三大特性出發(fā),無論是試驗中還是使用中出現(xiàn)問題,我們都需要回歸到干擾源的內(nèi)容、傳播路徑的構(gòu)成、敏感機(jī)理等基本要素,通過分析和診斷測試定位問題,進(jìn)而采用相應(yīng)的解決措施。電磁兼容診斷主要是定性判斷,不需要嚴(yán)格遵循特定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,只要找出問題的原因加以分析定位,最終解決即可。

電磁干擾源、傳播耦合途徑以及敏感設(shè)備是形成電磁干擾的三大要素。大量理論研究和實驗結(jié)果表明:如果把電磁干擾源用時間函數(shù)S(t)表示,把敏感設(shè)備的敏感性用時間函數(shù)R(t)表示,把電磁能的傳播耦合性用時間函數(shù)C(t)表示,則產(chǎn)生電磁干擾的充要條件為S(t)×C(t)≥R(t)。可見,對于任何一個電磁干擾的形成過程,這三個要素總是缺一不可的,對于電磁兼容診斷來說,依然要從三要素出發(fā)。

13.2.1電磁干擾的主要來源

各種形式的電磁干擾是影響電子設(shè)備電磁兼容性的主要因素,因此,了解其來源是電磁兼容設(shè)計的先決條件之一,電磁診斷亦如此。一般的來源分為內(nèi)部和外部兩種。

1.內(nèi)部干擾

內(nèi)部干擾是指電子設(shè)備內(nèi)部各元件之間的相互干擾,包括以下幾方面內(nèi)容:

(1)電源、變頻器等工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電而造成的干擾。

(2)晶振、CPU、數(shù)字器件產(chǎn)生的信號,通過地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合,或?qū)Ь€之間的互感造成的干擾。

(3)設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部某些元件發(fā)熱,特別是功率器件(如IGBT)影響元件本身或其他元件的穩(wěn)定性造成的干擾。

(4)大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場、電場通過耦合影響其他部件造成的干擾。例如,車輛電源系統(tǒng)相關(guān)的電磁干擾源以及紋波和諧波。紋波和諧波的產(chǎn)生源是直流發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器和電動機(jī)。

(5)共用電源接通和斷開相當(dāng)大的負(fù)載電流時,就會產(chǎn)生浪涌。產(chǎn)生強(qiáng)烈浪涌的主要用電負(fù)載是風(fēng)扇、空調(diào)、啟動電動機(jī)。浪涌通常具有比瞬變干擾更高的能量水平。

2.外部干擾

外部干擾是指電子設(shè)備或系統(tǒng)以外的因素對線路、設(shè)備或系統(tǒng)的干擾,主要包括以下內(nèi)容:

(1)外部的高電壓、電源通過絕緣漏電而干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)。

(2)外部大功率的設(shè)備在空間產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場,通過互感耦合干擾電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)。

(3)發(fā)射基站,無線電通信發(fā)射機(jī)、雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)(主射束或旁瓣)空間電磁,對電子線路或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

(4)工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定,引起電子線路、設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部元器件參數(shù)改變造成的干擾。

(5)由工業(yè)電網(wǎng)供電的設(shè)備和由電網(wǎng)電壓通過電源變壓器所產(chǎn)生的干擾。

13.2.2電磁干擾的傳播途徑

電磁干擾的傳播途徑可以是傳導(dǎo)傳輸,也可以是輻射傳輸。傳導(dǎo)傳輸通常在干擾源和敏感器之間有完整的電路連接,輻射干擾傳輸是通過介質(zhì)以電磁波的形式傳播,干擾特征以電磁場傳播規(guī)律向周圍空間發(fā)射。實際工程中出現(xiàn)的電磁干擾現(xiàn)象通常是多路徑的,因此診斷起來也比較困難。電磁干擾的傳播途徑主要包括以下幾方面內(nèi)容:

(1)當(dāng)干擾源的頻率較高,干擾信號的波長又比被干擾的對象結(jié)構(gòu)尺寸小,或者干擾源與敏感者之間的距離r?λ/(2π)時,干擾信號可以認(rèn)為是輻射場,它以平面電磁波的形式向外輻射電磁場能量。

(2)干擾信號以漏電和耦合形式,以絕緣支撐物(包括空氣)為媒介,經(jīng)公共阻抗的耦合進(jìn)入被干擾的線路、設(shè)備或系統(tǒng)。互感耦合是通過互感原理,將在一條回路里傳輸?shù)碾娦盘柛袘?yīng)到另一條回路對其造成干擾,例如,變壓器、繼電器、電感器等。

(3)傳導(dǎo)干擾信號可以通過直接傳導(dǎo)方式進(jìn)入線路、設(shè)備或系統(tǒng),如電源線、信號線、地線、信號地、電源地等。

13.2.3敏感源

所有低壓小信號電路和設(shè)備都可以是敏感源,例如無線電通信設(shè)備、圖像傳輸信號、視頻電路易被干擾(電源和射頻),如閉路電視、計算機(jī)、顯示器等。各種模擬信號傳感器易被干擾,如熱電偶、熱敏電阻、應(yīng)變片、化學(xué)pH值測量儀等。在實際應(yīng)用中,發(fā)射設(shè)備內(nèi)部也可能包含各類敏感電路,而敏感設(shè)備內(nèi)部也包含發(fā)射源。各種電磁發(fā)射不但形成內(nèi)部相互干擾,而且也會形成設(shè)備系統(tǒng)間的相互干擾,從而使干擾現(xiàn)象變得更加復(fù)雜。

13.3源頭診斷法(PCB板的設(shè)計診斷)

13.3.1標(biāo)準(zhǔn)測試法面臨的風(fēng)險在傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)中,設(shè)計和調(diào)試通常是利用標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行最終驗證,隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的提高,某些方面的問題將很難解決,會對開發(fā)周期和研制費用存在風(fēng)險,具體包括:

(1)所設(shè)計的產(chǎn)品越來越復(fù)雜,遇到的電路內(nèi)部和電路之間的電磁干擾問題日益嚴(yán)重。如果在設(shè)計階段不把電磁兼容問題考慮進(jìn)來,到產(chǎn)品設(shè)計的后期再去考慮這些問題,可能要花費更長的時間和更高的成本。

(2)要讓產(chǎn)品符合EMC,是一項系統(tǒng)工程。為了使產(chǎn)品通過EMC測試,需要系統(tǒng)中各個部件來配合。例如電源板、控制器板、背板、機(jī)箱、布線等,需要密切配合,才能最終達(dá)到通過EMC測試的目的。如果能夠在設(shè)計早期,各個部件的設(shè)計人員同步協(xié)同工作,保證每個部件產(chǎn)生盡可能小的輻射,則在產(chǎn)品組裝完成后,就可以花費最短的時間完成EMC調(diào)試,同時還保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

(3)如果產(chǎn)品沒有通過EMC標(biāo)準(zhǔn),由于不明確電磁輻射的產(chǎn)生點和傳播途徑,排除問題時存在很大的盲目性。在某些情況下,屏蔽和濾波能達(dá)到通過EMC標(biāo)準(zhǔn)的目的,但會增加成本,并可能會犧牲產(chǎn)品的穩(wěn)定性。在很多情況下,屏蔽或者濾波是無效的,這時,我們必須找到EMI的源頭,對源頭采取抑制措施。

(4)電子產(chǎn)品中普遍存在瞬態(tài)電磁干擾,這類干擾是最捉摸不定的,是引起系統(tǒng)隨機(jī)死機(jī)、復(fù)位和不穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因。傳統(tǒng)的手段是無法觀察到這些干擾的。

(5)電子產(chǎn)品中往往會有很多接插件連接到外部,這些接插件以及電纜會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射。我們對其產(chǎn)生機(jī)制和抑制手段缺乏非常完整的認(rèn)識,這往往是產(chǎn)品無法通過EMC標(biāo)準(zhǔn)的主要原因。

13.3.2采用近場掃描診斷法的優(yōu)勢

采用近場掃描診斷的方法是源頭控制的最好手段,能幫助我們及早發(fā)現(xiàn)問題,及時采取有效措施消除或抑制系統(tǒng)內(nèi)部和對外的電磁干擾,通過該方法得到的PCB板的場強(qiáng)分布圖,我們能夠得到以下信息:

(1)能精確定位EMI問題區(qū)域,并對干擾源電路修改提供立即的反饋。

(2)能揭示瞬態(tài)EMI問題,提高產(chǎn)品的性能和可靠性。

(3)能確認(rèn)更換元件對EMC的影響,準(zhǔn)確掌握不同批次的備選元件是否影響產(chǎn)品的EMC特性。

同時EMSCAN掃描系統(tǒng)還可以精確定位PCB的傳導(dǎo)及輻射干擾的敏感點,通過對施加干擾前后的PCB頻譜進(jìn)行比較,可以檢驗濾波措施是否覆蓋整個頻段,以及在高頻情況下PCB上的布線由分布電容所產(chǎn)生的天線效應(yīng)。這樣做的好處在于能夠提早發(fā)現(xiàn)PCB設(shè)計中是否存在敏感點,在降低設(shè)計成本的同時還提高了設(shè)計成功率,這個問題會在后期花費設(shè)計人員大量的時間和金錢對硬件軟件進(jìn)行調(diào)整。

13.4接口診斷法

所有的EUT設(shè)備與外界的連接都可用接口來描述,接口診斷是一種比較實用的系統(tǒng)工程診斷方法。通常我們將系統(tǒng)EMC接口分為接地、電源、信號和機(jī)械四類,如圖13－1所示。這些接口將會要求以文件形式規(guī)定到內(nèi)部設(shè)計方針中,例如PCB或供電的設(shè)計策略等,以確保部件在實際應(yīng)用環(huán)境中可以正常工作。圖13－1EUT設(shè)備接口示意圖

13.4.1電源接口

電源是能量接口。這個接口的首要作用就是為設(shè)備或系統(tǒng)提供所需能量,且不帶來無法預(yù)料的問題。從診斷的角度,重點考慮的是電源線瞬態(tài)干擾、電壓跌落/浪涌和電壓損耗,這些都包括在“電源質(zhì)量”中。此外,還要考慮電源諧波和與電源有關(guān)的磁場。

對于電源接口,系統(tǒng)工程方法是非常重要的。首先,外界供電變化范圍很大;其次,我們采用的設(shè)計方法和使用策略可能會減小(或增大)外界電源的擾動,這對于高速開關(guān)電源或?qū)ｉT的低阻抗總線的設(shè)計是一個很大的挑戰(zhàn);最后,測試中的電源阻抗(使用LISNs)與實際情況有很大的差別,所有這些因素都需要從系統(tǒng)工程角度考慮。當(dāng)將電源地也作為接口考慮時,需注意高頻瞬態(tài)問題,瞬態(tài)電源通常含有高于10kHz的頻譜分量,需要采用混合接地方式避免高頻干擾。

13.4.2接地接口

大多數(shù)的電源地(DC,50/60Hz,400Hz)被認(rèn)為是低頻地。因此,在電源分配系統(tǒng)中通常是單點接地,這種選擇有助于避免大的電源回路對其他電路產(chǎn)生問題。車輛系統(tǒng)則是一個例外,電源回流(負(fù)極)常通過車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行,如果信號接口同樣使用車體作為信號地,這種連接情況存在潛在的干擾問題。下面的例子充分說明了這一問題。

對于特種車車載系統(tǒng)來說,如圖13－2所示,用電設(shè)備1負(fù)端流出的電流通過接地點1流入車輛車體、結(jié)構(gòu)體,電流經(jīng)由車體、炮塔體回流至電源負(fù)端。這種接地方法需要特別關(guān)注EMC問題。

圖13－2的接地方式很容易產(chǎn)生地環(huán)路的影響。在地環(huán)路中,噪聲電流和信號回流具有同樣的路徑,也會產(chǎn)生無用的噪聲電壓,會對低電平的模擬電路(例如音頻和儀表電路)帶來很大威脅。圖13－3是由地環(huán)路在通訊端口所產(chǎn)生的干擾曲線,其狀態(tài)為測試狀態(tài),即鑰匙門處于“ON”檔位置,空調(diào)暖風(fēng)電機(jī)開啟,其他設(shè)備斷開。因此,模擬和音頻工程通常建議使用單點接地。圖13－2接地干擾原理圖圖13－3天線端口產(chǎn)生的干擾電壓

接地既是EMI接口又是安全接口?！癊MI地”主要是為電源和信號電源提供一個回流路徑,它同樣有助于保持足夠的信號和電源安全系數(shù)。在電源出現(xiàn)故障的情況下,“安全地”可以提供一個替代回流路徑,使保險絲或斷路器正常工作,這樣就降低了失火和電擊的風(fēng)險。在大多數(shù)情況下,“安全地”和EMI接地要求是一致的,但是如果出現(xiàn)沖突,就必須首先考慮安全問題。

需要特別注意的是,EMI地與頻率相關(guān)。一般地,當(dāng)干擾頻率低于10kHz時,多采用單點接地;干擾頻率高于10kHz時,多采用多點接地。在系統(tǒng)既受到低頻又受到高頻干擾時,通常采用“混合”接地。隨著頻率的升高(高于10kHz),寄生電感和電容就會提供替代的間接回路。在更高頻段(高于1~10MHz),傳輸線效應(yīng)也會影響接地。間隔1/4波長,電壓由最小(短路)變?yōu)樽畲?開路)。因此,RF和高速數(shù)字電路應(yīng)該使用粗、低電感的地線并且采用多點接地方式。接地和搭接是電磁兼容最重要的設(shè)計內(nèi)容,它具有效果突出、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點,是較容易實現(xiàn)但又難于掌握的一種抑制干擾的方法。

13.4.3信號接口

信號常通過互連電纜傳輸,這種設(shè)備由電纜和連接器組成。產(chǎn)品互連電纜的結(jié)構(gòu)形式和敷設(shè)方式對耦合路徑和EMC性能有很大的影響。電纜的選擇包括是否需要屏蔽電纜、屏蔽類型、屏蔽終端以及連接器等。試驗和診斷時,電纜的結(jié)構(gòu)和類型應(yīng)模擬實際使用情況,確定是否按規(guī)定使用了電纜,例如雙絞、屏蔽和屏蔽端接等,電磁兼容性測試報告中應(yīng)提供電纜的布置信息。

對于互連線和互連電纜,測試配置中互連電纜的總長度應(yīng)與實際平臺安裝的長度一致。在低于諧振頻率時,通常耦合正比于電纜的長度,如果出現(xiàn)諧振現(xiàn)象則更能夠代表實際安裝的情況。另外,嚴(yán)格來說,由于電纜特性的影響,有用信號將產(chǎn)生失真或衰減,因此接口電路對感應(yīng)信號的潛在敏感度將類似于實際安裝的情況。

電纜和連接器是信號接口,理論上它們應(yīng)該提供具有足夠安全程度的帶寬的干凈信號。對于信號接口,一個常用的系統(tǒng)工程方法就是在每一種類型的接口上確定一個“噪聲目標(biāo)”。最不利的噪聲界限確定后,將這些界限按部分進(jìn)行分配,例如反射、串?dāng)_地電位變化和外界干擾(例如RF能量)的感應(yīng)噪聲。通常在噪聲界限和總噪聲之間保持最小6dB的容限。

13.4.4機(jī)械接口

本書所涉及的機(jī)械接口主要是殼體的屏蔽特性,與殼體的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)有關(guān)。從電磁兼容角度定義屏蔽是電磁場接口,主要目的是為了抑制輻射發(fā)射和防止無用電磁場影響設(shè)備。在前面的例子中,我們盡力保護(hù)附近的無線電通信或?qū)Ш浇邮諜C(jī)不受設(shè)備的干擾。在后面的例子中,則是盡力保護(hù)敏感電路不受附近無線電或雷達(dá)發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生場的干擾。也需要對其他的干擾進(jìn)行屏蔽,例如閃電或核電磁脈沖。其他EMC系統(tǒng)工程方法包括評估電纜屏蔽性能、平衡濾波和屏蔽,以及為電纜布線和結(jié)構(gòu)制定設(shè)計指南。

另一個常用的EMC系統(tǒng)工程方法是將屏蔽效能分為不同等級。通常在應(yīng)用多種屏蔽時使用這種方法,或者作為衡量電纜屏蔽效能的方法。因為屏蔽效能與頻率有關(guān),所以必須確定這樣的集成安裝是有效的。我們經(jīng)常遇到這樣一種情況,當(dāng)雷達(dá)發(fā)射機(jī)工作時,實際的系統(tǒng)EMC若出現(xiàn)問題,則通過分析系統(tǒng)電磁兼容可發(fā)現(xiàn),在該雷達(dá)的工作頻率上(較高頻率),并沒有要求屏蔽。在類似這樣的例子中,系統(tǒng)集成配置時通過一些簡單的系統(tǒng)工程法,即可避免潛在問題的發(fā)生。

13.5試驗診斷法

13.5.1發(fā)射類診斷首先,應(yīng)區(qū)分發(fā)射超標(biāo)是屬于傳導(dǎo)還是輻射超標(biāo),圖13－4表明了GJB151B-2013中與發(fā)射相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)適用性和接口的關(guān)系。圖13－4發(fā)射類測試項目對各端口的適用性

發(fā)射類試驗項目與接口特征如表13－1所示。

13.5.2敏感度診斷

敏感度診斷通常也分為傳導(dǎo)敏感度和發(fā)射敏感度,而傳導(dǎo)敏感類型又分為低頻連續(xù)波、尖峰信號、脈沖激勵、阻尼正弦瞬態(tài)、靜電等。

敏感類測試項目對各端口的適用性如圖13－5所示,其與接口特征如表13－2所示。

敏感類試驗項目與接口特征如表13－2所示。

圖13－5敏感類測試項目對各端口的適用性

13.5.3瞬態(tài)干擾診斷

1.瞬態(tài)干擾引起的功能故障

車輛中不斷增加的分布式功能會引起一些意外的緊急行為,這些行為可能是由類似電源電壓驟降等瞬態(tài)現(xiàn)象引起的。汽車電子系統(tǒng)是公認(rèn)的高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)更高的性能,但相應(yīng)地應(yīng)提高所有相關(guān)部件的動作準(zhǔn)確度。而電氣部件能夠正確動作的最基本要求是有一個穩(wěn)定的電源供電。

電源中斷會引起電池饋電及電源電路中的電器中斷。電池性能取決于電池電荷狀態(tài),尤其會受電池循環(huán)、環(huán)境溫度及電氣負(fù)載等變化的影響。目前,市場對于后兩種情況的需求在日益增加,由于競爭市場的全域化,要求設(shè)備具有更多的功能,且能夠在更惡劣的環(huán)境中使用,如東北漠河常年處于極低溫環(huán)境。

設(shè)備在非正常條件下工作時,可能出現(xiàn)故障。對電氣系統(tǒng),一種非正常條件就是瞬態(tài)電壓。最普通的例子就是發(fā)動機(jī)啟動時,超過800A的瞬態(tài)電流瞬時涌入會在電池端產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。還有一些例外的情況,如電池電量低且在低溫條件下工作時,在啟動發(fā)動機(jī)時電池電壓可能從正常的24V跌落至1.5V左右(如圖13－6)。圖13－6發(fā)動機(jī)端低溫啟動的實際波形

當(dāng)電源電壓大幅下降時,系統(tǒng)可能處于某種不確定的狀態(tài),并產(chǎn)生故障,如圖13－7所示。下面,列舉兩個與低壓瞬態(tài)相關(guān)的故障案例:

①存儲器寫入錯誤導(dǎo)致的校驗錯誤;

②兩個或更多相互關(guān)聯(lián)以提供系統(tǒng)功能的電控單元之間的通信丟包。很多故障是偶發(fā)的,而且在車輛測試中可能無法測出,這是因為瞬態(tài)電壓不能準(zhǔn)確重現(xiàn),即不能重現(xiàn)故障。另外,不同的電控單元有不同的工作電壓范圍和響應(yīng)時間,在供電電壓變化時,可能導(dǎo)致每個電控單元產(chǎn)生不同的響應(yīng)。尤其是當(dāng)電壓在臨界上限或工作范圍最低限值附近時,需要特別注意。圖13－7實際的故障路徑與預(yù)防路徑的關(guān)系案例

2.測試標(biāo)準(zhǔn)與實際波形

故障現(xiàn)象所面臨的挑戰(zhàn)是如何將可能產(chǎn)生的模擬干擾施加到故障路徑,這與觸發(fā)電壓及觸發(fā)次數(shù)有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有的測試標(biāo)準(zhǔn),對現(xiàn)有的低壓測試進(jìn)行分析,可得出標(biāo)準(zhǔn)波形未覆蓋所有可能的故障路徑。圖13－8說明了EMC技術(shù)要求中規(guī)定的一種波形,圖13－9給出了某狀態(tài)實際測試到的波形。圖13－8EMC技術(shù)要求規(guī)定的波形圖13－9車輛某狀態(tài)電壓實測波形

當(dāng)技術(shù)文件規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測試波形與實際的波形有較大差異時,故障就產(chǎn)生了。電壓的快速變化使ECU狀態(tài)失常,如果電壓降得過低,那么將導(dǎo)致ECU的程序跑飛,使得繼電器關(guān)閉。由于繼電器關(guān)閉,電池又逐漸恢復(fù)到供電電壓,ECU將被重置,然后繼電器再次將電池電壓拉低,故障現(xiàn)象循環(huán)往復(fù)。為了重復(fù)該時斷時開的中斷現(xiàn)象,找出規(guī)律修改控制策略,最簡單而且最有效的解決方案是利用實際測試的電壓跌落波形進(jìn)行模擬,而不是簡單地依賴標(biāo)準(zhǔn)波形。

13.6電磁兼容診斷常用工具

13.6.1近場掃描系統(tǒng)(EMSCAN)1.系統(tǒng)組成

EMSCAN系統(tǒng)的掃描器由1280個H場探頭組成,按32×40的陣列排放,各探頭分布在7.6mm×7.6mm的矩形柵格內(nèi),探頭的方向按“人”字形排列,如圖13－10所示。EMSCAN控制器常用于實現(xiàn)掃描器內(nèi)探頭的自動切換,并控制頻譜分析儀進(jìn)行濾波和掃頻。計算機(jī)通過以太網(wǎng)與控制器相連,EMSCAN的所有控制和數(shù)據(jù)處理可以由安裝在計算機(jī)上的軟件實現(xiàn)。圖13－10放置在掃描器上的PCB板

2.系統(tǒng)診斷功能

通過頻譜掃描功能和空間掃描功能可實現(xiàn)系統(tǒng)診斷。頻譜掃描的結(jié)果可以讓我們對EUT產(chǎn)生的頻譜有一個大致的認(rèn)識:系統(tǒng)有多少個頻率分量?每個頻率分量的幅度大致是多少?空間掃描是針對一個頻率點進(jìn)行的,其結(jié)果是一張以顏色代表幅度的地形圖,能實時查看PCB產(chǎn)生的某個頻率點的動態(tài)電磁場分布情況。

通過頻譜/空間掃描功能,能對選定區(qū)域進(jìn)行一個頻率范圍的掃描,測量被測物每個空間位置上整個頻率段的輻射情況,從而得到被測物完整的電磁場信息。在執(zhí)行頻譜/空間掃描功能時,把工作著的PCB放置到掃描器上(如圖13－10所示),執(zhí)行對每個探頭的全頻段掃描(頻率范圍可以從10kHz到3GHz)后,EMSCAN最終會給出兩張圖,分別為合成頻譜圖(如圖13－11所示)和合成空間圖(如圖13－12所示)。圖13－11合成頻譜圖圖13－12合成空間圖

3.系統(tǒng)測試應(yīng)用

在一個通信設(shè)備的實測案例中,輻射干擾會從電話線電纜中發(fā)散出來,對這根電纜增加屏蔽或者濾波手段顯然是不可行的。此時,可以使用EMSCAN進(jìn)行追蹤掃描,確定其輻射情況。

頻譜/空間掃描獲得的是整個掃描區(qū)域內(nèi)每個探頭的全部頻譜數(shù)據(jù)。執(zhí)行一次頻譜/空間掃描后就可以得到所有空間位置的所有頻率的電磁輻射信息,可以將圖13－11和圖13－12的頻譜/空間掃描數(shù)據(jù)想象為一堆空間掃描數(shù)據(jù)(每個空間掃描分別為不同的頻率,可由用戶來控制不同的顯示),也可以想象為一堆頻譜掃描數(shù)據(jù)(每個頻譜掃描來自PCB的不同物理位置,可以是一個或幾個柵格)。

用戶可以查看指定頻率點(一個或多個頻率)的空間分布圖,查看指定物理位置點(一個或多個柵格)的頻譜圖,如圖13－13所示。在頻譜圖中,灰色部分為總頻譜圖,藍(lán)色部分為指定位置的頻譜圖。該方法是通過用“×”指定PCB上的物理位置,對比該位置產(chǎn)生的頻譜圖(藍(lán)色)和總頻譜圖(灰色),找到干擾源的位置。從圖中可以看出,對于寬帶干擾和窄帶干擾,該方法都能很快地找到干擾源的位置。圖13－3快速定位電磁干擾源

(1)檢查PCB的EMI問題時,先掃描機(jī)箱或者電纜,檢查干擾來自哪個部位,進(jìn)一步追蹤到產(chǎn)品內(nèi)部,確定是哪塊PCB產(chǎn)生的干擾,再進(jìn)一步追蹤到器件或者布線。在輻射最強(qiáng)的地方采取手段,無疑對解決EMI/EMC問題是最有效的方法。例如,某通信設(shè)備無法通過認(rèn)證測試,通不過的頻率點為256MHz、384MHz、640MHz,均為128MHz的諧波。采用EMSCAN掃描控制板的頻譜/空間掃描功能,即可找到產(chǎn)生128MHz諧波的干擾源。在干擾源附近采取手段,芯片的電源和地之間并聯(lián)一個47pF的電容,減少電源紋波。增加濾波電容后,掃描控制板的電磁場變化,從干擾源到接插件的干擾被明顯抑制(大約減少9dB),證明采取的手段是有效的。

(2)這種排查方法,能讓工程師以最低的成本和最快的速度排除EMI問題。在一個通信設(shè)備的實測案例中,輻射干擾從電話線電纜中散射出來,對這根電纜增加屏蔽或者濾波手段顯然是不可行的,這在以前是一個無法解決的難題。但是,如今采用EMSCAN進(jìn)行追蹤掃描后,確定問題最終出現(xiàn)在處理機(jī)板上,加裝幾個濾波電容后,即可有效解決工程師原來束手無策的EMI問題。

(3)隨著PCB復(fù)雜程度的增加,調(diào)試的難度和工作量也在不斷增加,利用示波器或者邏輯分析儀,同時只能觀察到1個或者有限的幾個信號線波形。而現(xiàn)在的PCB上可能有成千上萬條信號線,工程師只能憑經(jīng)驗或者運(yùn)氣來找到問題的所在。如果我們擁有正常板和故障板的“完整電磁信息”,通過對比兩者的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)異常的頻譜,再采用“干擾源定位技術(shù)”,找出異常頻譜的產(chǎn)生位置,就能很快找到故障的位置及產(chǎn)生的原因。圖13－14是正常板和故障板的頻譜圖,通過對比,很容易發(fā)現(xiàn)故障板上存在一個異常的寬帶干擾。圖13－14整板頻譜圖對比

確定問題后,在故障板的空間分布圖上找到產(chǎn)生這個“異常頻譜”的位置,如圖13－15所示。這樣,該故障位置即可被定位到一個柵格(7.6mm×7.6mm)的位置,問題就能很快確診。圖13－15在故障板的空間圖上找出異常頻譜的產(chǎn)生位置

4.測試診斷應(yīng)用案例

下面,以實際案例介紹測試診斷的應(yīng)用方法。被測設(shè)備:某類通信設(shè)備由多塊接口板、一塊控制板和一個背板組成,接口板的用戶電纜經(jīng)過背板轉(zhuǎn)接,引到機(jī)箱外部,再連接到其他設(shè)備,如圖13－16所示。圖13－16某類通信設(shè)備組成示意圖

詳細(xì)定位及排查過程:采用EMSCAN掃描控制板的頻譜/空間;找到干擾源,見圖13－17。圖中標(biāo)注“×”的地方,是128MHz諧波。圖13－17“×”點未加電容前的頻譜圖和能量空間分布圖

根據(jù)測試結(jié)果,在干擾源附近采取控制措施,首先在芯片的電源和地之間并聯(lián)一個47pF的電容,用于控制EMI傳播途徑(減少電源紋波),再次測試觀察掃描控制板的電磁場變化,結(jié)果表明增加濾波電容后,從干擾源到接插件的干擾被明顯抑制(大約減少9dB),證明采取的手段是有效的。然后觀察電纜上的輻射有沒有變化。這時,再掃描電纜的電磁輻射,發(fā)現(xiàn)各頻率點均減少了4dB左右。

這里需要再次強(qiáng)調(diào),PCB近場掃描的數(shù)據(jù)如果能夠大量被獲得并保留,則將為今后的設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考,設(shè)計人員可以借鑒以往的設(shè)計經(jīng)驗,不再為重復(fù)的問題花費時間和精力,把關(guān)注點放在如何提高產(chǎn)品的可靠性和新技術(shù)的應(yīng)用上,形成產(chǎn)品設(shè)計的良性循環(huán)。

13.6.2近場探頭測試

近場探頭是一種簡單、實用、低成本的電場、磁場探測器。使用近場探頭進(jìn)行EMC預(yù)測試,可以幫助我們找到設(shè)備未能通過EMC標(biāo)準(zhǔn)測試的原因,并且定位是出現(xiàn)故障的位置。甚至還可以對產(chǎn)品的EMI特性進(jìn)行測量。如果使用專門的近場探頭,則還能夠?qū)Ξa(chǎn)品的傳導(dǎo)及輻射抗干擾能力進(jìn)行檢驗。近場探頭本身僅僅是一種傳感器,使用時必須與示波器、頻譜儀連接,用后者顯示探測到的數(shù)據(jù)。近場探頭與示波器相連可用于觀察時域波形,與頻譜儀相連可用于觀察頻域特性。

1.近場診斷測試系統(tǒng)組成

近場診斷測試方法是一種噪聲源定位方法,包括確定輻射源是以共模輻射為主還是以差模輻射為主,以及確定超標(biāo)噪聲源的準(zhǔn)確位置。一般近場診斷測試系統(tǒng)由近場探頭和接收設(shè)備(頻譜分析儀或接收機(jī))組成。如果近場測試無法檢測到被試品對外的輻射,或測試值隨位置的變化表現(xiàn)不明顯,則可選擇具有更高靈敏度的接收設(shè)備或者在探頭與接收設(shè)備間加前置放大器。系統(tǒng)框圖如圖13－18所示。圖13－18近場診斷系統(tǒng)組成框圖

一般的近場探頭組都具有一系列探頭,如圖13－19、圖13－20所示。實際選擇時,往往要考慮幾個重要因素,包括靈敏度、分辨率和頻率響應(yīng)等。首先應(yīng)考慮靈敏度。近場探頭的靈敏度不是一個絕對的指標(biāo),關(guān)鍵看探頭和配合使用的接收設(shè)備能不能容易地測量到輻射泄漏信號,并且有足夠的裕量去觀察改進(jìn)前后的變化。如果接收設(shè)備的靈敏度足夠高,則可以選擇靈敏度相對低一些的探頭,反之就必須選擇靈敏度高的探頭,甚至考慮外接前置放大器提高系統(tǒng)的靈敏度。其次應(yīng)考慮分辨率。

分辨率也就是探頭分辨干擾源位置的能力。通常,分辨率和靈敏度是一對矛盾體。以常用的環(huán)狀磁場探頭為例,尺寸越大的環(huán)狀探頭,靈敏度往往越高,因為它的測試面積大,但是隨著測試面積增大,分辨率也會越低,即無法準(zhǔn)確分辨出干擾源的位置。因此推薦的辦法是,選用一組多個尺寸的探頭,在大范圍測試時用較大的探頭,找到疑似區(qū)域,再逐漸減小探頭尺寸,最終定位到干擾源。最后應(yīng)考慮頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)是一個容易被忽略的重要因素。所謂頻率響應(yīng),就是探頭測量同樣幅度、不同頻率的信號,所得到的幅值差異。使用探頭進(jìn)行EMI分析,是一種相對定性的測試,但是如果探頭的頻率響應(yīng)較差或不夠平坦,則會使全頻段的測試結(jié)果不夠直觀,讓人忽略一些重要的輻射泄漏信號。

圖13－19ETS公司的系列產(chǎn)品圖13－20RS公司的HZ14近場探頭

近場探頭一般可以分為電場探頭和磁場探頭,磁場探頭有時也被稱作環(huán)天線,即一個已經(jīng)屏蔽了電場的“小圈兒”,電場探頭即一根非常短的“鞭”天線。近場探頭的最大尺寸D應(yīng)小于最高測量頻率f(Hz)的1/6波長,計算公式如下:

式中,光速c=3×108m/s。

由式(13－1)可知,如果需要測量最高頻率為1GHz的信號,則天線直徑至少應(yīng)為50mm。需要注意的是,為了保證測量的靈敏度,應(yīng)盡量選用滿足頻率上限要求的最大尺寸探頭。

圖13－19、圖13－20為近場探頭應(yīng)物圖。這類探頭套件主要用于診斷印刷電路板、IC、電纜、屏蔽罩中的泄漏點以及類似電磁干擾源的輻射發(fā)射。探測器的人體工學(xué)設(shè)計使得該設(shè)備便于操作,小尺寸的探頭可以非常簡單地定位輻射源。

磁場探頭與放大器連接后,可以用來定位EMI敏感部件和儀器或印刷板中的電子模塊。RFI抑制措施的有效性或屏蔽設(shè)計的效能,可以利用探測裝置輕松地進(jìn)行驗證。

主要參數(shù)范圍包括:

磁場探頭:9kHz~30MHz,30MHz~1GHz。

電場探頭:9kHz~1GHz。

寬帶預(yù)放:9kHz~1GHz頻率范圍,30dB寬帶預(yù)放。

2.近場診斷測試要點

由于近場測試的局限性,近場診斷測試方法具有如下測試要點:

①近場測試發(fā)射大的點在遠(yuǎn)場測試時不一定超標(biāo),因此在診斷測試過程中只需關(guān)注遠(yuǎn)場輻射超標(biāo)頻率附近的點即可;

②由于近場測試單次測量數(shù)據(jù)意義不大,因此測試過程中應(yīng)選用多種探頭進(jìn)行多次綜合測試,切忌用一種天線進(jìn)行單次測試就盲目得出結(jié)論;

③由于近場測試結(jié)果與遠(yuǎn)場測試結(jié)果間無確切的換算關(guān)系,因此測量數(shù)據(jù)的絕對值意義不大,應(yīng)重點關(guān)注數(shù)據(jù)變化的趨勢和相對性;

④近場測試過程中,探頭越靠近被試品越靈敏,因此測試時兩者應(yīng)盡量靠近,但探頭設(shè)計工藝精細(xì)小巧,應(yīng)小心操作、避免損壞,同時離被試品過近需注意人身安全;

⑤需要提高診斷系統(tǒng)的探測靈敏度時,可加入前置放大器,但在測試結(jié)果中應(yīng)扣除放大器增益;

⑥診斷測試時,除對被試品電路系統(tǒng)進(jìn)行搜索外,還需對電線電纜、箱體接縫和開口等位置進(jìn)行反復(fù)的、變換方位的測試,在測試孔徑的輻射時,探頭應(yīng)沿孔的邊沿和繞孔旋轉(zhuǎn),尋找造成輻射干擾的強(qiáng)發(fā)射點。

利用近場診斷測試原理搭建的近場診斷測試系統(tǒng)具體使用時可按如下步驟進(jìn)行:遠(yuǎn)場測試發(fā)現(xiàn)不合格點→近場測試尋找超標(biāo)位置→分析超標(biāo)原因并整改→近場驗證整改措施的有效性→遠(yuǎn)場驗證整改措施的有效性。如果超標(biāo)原因較多,一次診斷測試后整改未必能解決問題,則需重復(fù)上述步驟。整個過程呈螺旋狀上升,每循環(huán)一次,離合格目標(biāo)就更近一步。

3.近場探測系統(tǒng)的綜合應(yīng)用

利用頻譜分析儀和近場探頭組搭建近場測試診斷系統(tǒng),將該系統(tǒng)應(yīng)用于實際測試,可完成輻射EMI超標(biāo)故障的排查、整改,該方法在實際測試中切實可行,為實驗室快速、有效地完成產(chǎn)品輻射EMI超標(biāo)故障的定位、整改提供了一種有效方法,具有實際的指導(dǎo)意義。

1)近場探頭在產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)階段的應(yīng)用

產(chǎn)品開發(fā)的第一步就是診斷與評估設(shè)計方案。電磁兼容性也是其中一項重要的指標(biāo)要求,它包含了機(jī)箱的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計、導(dǎo)電襯墊的選擇、濾波設(shè)計、PCB布線、PCB上的器件選擇、線纜屏蔽等?？梢酝ㄟ^近場探頭驗證其可行性,尤其是在選用新的且還未經(jīng)過相關(guān)EMC測試的器件時更應(yīng)采用。例如新型的微處理器、快速擴(kuò)展接口設(shè)計等。通過以往的設(shè)計經(jīng)驗和測量結(jié)果,可以大致上對新設(shè)計方案的電磁兼容性作出評估。

通過近場探頭預(yù)測試,利用其故障定位的特點,還可以快速暴露設(shè)計中的電磁兼容性問題。例如,PCB布局設(shè)計、集成電路供電噪聲及去耦、屏蔽效能、濾波性能、電纜布線方式及電纜類型、電纜屏蔽及濾波方式、連接和密封等問題。采用近場探頭測試,可為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持,縮短設(shè)計周期,并且使設(shè)計更加具有針對性,有效地節(jié)約設(shè)計成本。

相比其他器件而言,集成電路往往會帶來較差的發(fā)射特性及敏感特性,近場探頭可以快速地定位需要采取措施的集成電路,而且可以驗證更加有效的措施,這樣可使產(chǎn)品研發(fā)、電磁兼容性設(shè)計工作變得更加容易。

2)近場探頭在產(chǎn)品設(shè)計升級過程中的應(yīng)用

當(dāng)我們需要對一個通過EMC測試并且已知其“信號特征量”的產(chǎn)品進(jìn)行有計劃的設(shè)計更改時(例如替換某個器件或者升級軟件),即可采用相同的測量方式和參數(shù)進(jìn)行測試,比較更改前后的近場探頭測量結(jié)果,如果差值超出預(yù)期的范圍,那么就需要對新設(shè)計方案進(jìn)行EMC整改,或者更換合適的器件。

如果一個數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計方案更改前后的射頻發(fā)射“信號特征量”沒有明顯的改變,通常情況下則可以認(rèn)為其輻射特性和敏感特性也和以前一樣。

所以,近場探頭發(fā)射測量可用于更改產(chǎn)品設(shè)計,但有些時候某些抗擾度的測試還須重新試驗才能說明問題。

3)近場探頭在系統(tǒng)裝配維修過程的應(yīng)用

當(dāng)單件樣機(jī)的設(shè)計通過EMC標(biāo)準(zhǔn)測試后,接下來應(yīng)該考慮如何在產(chǎn)品批量裝配的過程中及時發(fā)現(xiàn)問題,例如錯誤的濾波器接地方式、錯誤的電纜屏蔽層端接方式、錯誤的電纜屏蔽類型使用、沒有加屏蔽襯墊、固定不夠緊密的部位等等。這時采用的方法與產(chǎn)品設(shè)計升級過程的近場探頭檢測相同,根據(jù)通過測試的單件樣機(jī)的“信號特征量”,使用近場探頭在產(chǎn)品裝配線上檢查其測量結(jié)果是否保持一致或在允許的差值范圍內(nèi)。

當(dāng)所關(guān)注的部件、系統(tǒng)在裝車以后需要維護(hù)、維修時,同樣可以利用近場探頭獲得的“信號特征量”進(jìn)行校驗,然后比較完成維護(hù)、維修之后的測量結(jié)果,觀察有沒有較為明顯的變化。例如,設(shè)備維修后機(jī)箱蓋是否安裝到位,設(shè)備長久使用后導(dǎo)電襯墊是否失效等問題,都可以通過近場探頭測量發(fā)現(xiàn),避免了因產(chǎn)品維護(hù)、維修過程中的疏漏而發(fā)生EMC故障的情況。

4)近場探頭在大量產(chǎn)品質(zhì)量評價(QA)中的應(yīng)用

產(chǎn)品質(zhì)量是不能回避的問題,如何通過直觀有效的方式檢驗產(chǎn)品質(zhì)量的一致性需要著重考慮。眾所周知,不同批次的集成電路可能會有不同的電磁兼容特性,可以通過簡單地設(shè)置近場探頭快速發(fā)現(xiàn)這些不同點。首先還是為已經(jīng)通過EMC測試的產(chǎn)品建立一個近場探頭測試的發(fā)射“信號特征量”,并作為標(biāo)準(zhǔn)值保留;然后用相同的方法檢查其他產(chǎn)品,比較測試結(jié)果,如果差值過大(如超過10dB)則說明產(chǎn)品存在問題。

各類電磁兼容性的檢測工具都是我們利用的手段,其最終目的都是使產(chǎn)品的電磁兼容性能夠滿足使用需求。近場探頭作為一種相對廉價但簡單、實用的檢測手段,可以幫助我們避免或者確定產(chǎn)品生命周期全過程中的EMC問題。如果使用一些特定的探頭(包括自制的簡易探頭)及測試設(shè)備(例如頻譜分析儀、示波器等),測試那些通過或未通過電磁兼容測試的被測設(shè)備,則經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)積累與分析,即可總結(jié)出探頭測試結(jié)果與正式電磁兼容測試結(jié)果之間的比較關(guān)系,產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計也就有了技術(shù)延續(xù)性。通過電磁兼容性測試將不再是設(shè)計人員的難題。

13.7整機(jī)系統(tǒng)診斷法

13.7.1案例一整車系統(tǒng)輻射干擾故障診斷試驗現(xiàn)象,在車輛發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)行、所有用電設(shè)備處于正常工作狀態(tài)的條件下,使用場天線在車輛車頭部位施加脈沖調(diào)制、強(qiáng)度為50V/m的射頻電磁場,在20~90MHz頻率范圍內(nèi),均出現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火或發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大幅下降的敏感現(xiàn)象。將干擾場強(qiáng)降至10V/m,仍然有上述敏感現(xiàn)象出現(xiàn)。輻射電磁場干擾測試示意圖如圖13－21所示。圖13－21輻射電磁場干擾測試示意圖

1.判斷可能受干擾的設(shè)備

根據(jù)敏感現(xiàn)象與ECU系統(tǒng)的組成(如圖13－22),分析造成發(fā)動機(jī)熄火及轉(zhuǎn)速大幅下降的原因,表13－3中列出了信號在處理的過程或路徑上所受到的外界電磁干擾,導(dǎo)致ECU控制發(fā)動機(jī)出現(xiàn)非正常的響應(yīng)。圖13－22某ECU的基本組成

2.故障診斷與定位

根據(jù)前面輻射干擾試驗時出現(xiàn)的故障和頻率,診斷采用大電流注入的測試方法,測試頻率范圍為10kHz~400MHz,這種方法的好處是操作方便、定位準(zhǔn)確。具體診斷過程為:在車輛發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)行、所有用電設(shè)備處于正常工作狀態(tài)的條件下,使用電流卡鉗通過感性耦合的方式,分別在ECU、TCU、組合儀表、BCM端的電源及信號線纜束上施加脈沖調(diào)制干擾信號,用于診斷系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備抵抗傳導(dǎo)干擾的能力。

1)選擇模擬干擾信號參數(shù)及波形

選擇模擬干擾信號參數(shù)及波形,大電流注入測試參數(shù)如表13－4所示。

傳導(dǎo)模擬干擾注入強(qiáng)度應(yīng)滿足該位置傳導(dǎo)發(fā)射測量的基準(zhǔn)曲線量值增加至少6dB,如圖13－23所示即為模擬干擾注入曲線。圖13－23模擬干擾注入曲線

2)測試位置

傳導(dǎo)敏感度測試中使用排除法定位敏感源位置,在測試狀態(tài)下對敏感設(shè)備的各個端口線束依次進(jìn)行測試驗證,直到找到敏感線束、連接的傳感器或單體設(shè)備。為確保正確地找到敏感源,進(jìn)一步定位可以將整束線束按類型分解為單個電源線或信號線的組合,依次施加干擾信號。同時采用示波器、頻譜儀等監(jiān)測設(shè)備,觀察受擾信號的波形、幅值,從而判定受擾信號的類型及敏感電路。

3)故障分析

根據(jù)共軌柴油發(fā)動機(jī)噴油控制原理,ECU讀取各傳感器反饋的數(shù)據(jù),計算出目標(biāo)噴油壓力,同時根據(jù)共軌燃油壓力傳感器反饋的壓力值,確定實際噴油壓力,軌壓傳感器輸出信號電平在1~4V范圍內(nèi),隨共軌燃油壓力值的增大而增加。在車輛怠速運(yùn)轉(zhuǎn)正常的狀態(tài)下,噴油壓力反饋給ECU的信號電平應(yīng)為1~1.7V左右;怠速條件下,當(dāng)壓力信號電平增大時,ECU將降低轉(zhuǎn)速以減小噴油壓力。如果在共軌內(nèi)的實際壓力沒有發(fā)生變化,只是傳感器在受擾情況下輸出了一個錯誤的信號電平,則ECU將控制發(fā)動機(jī)降低轉(zhuǎn)速,最終導(dǎo)致共軌內(nèi)壓力不足以維持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)條件,從而使轉(zhuǎn)速下降并熄火。

說明:第一條(綠線)為信號地對車體地;第二條(紅線)為信號輸入對信號地;第三條(藍(lán)線)為信號輸入對車體地。從其測量結(jié)果看,在車輛怠速條件下,軌壓信號輸入對信號地的電壓由正常狀態(tài)下的1.7V增大到2.5V,增加了0.8V左右。

施加干擾條件下在軌壓傳感器兩根信號線上測得的波形如圖13－24所示。圖13－24施加干擾條件下在軌壓傳感器兩根信號線上測得的波形

4)敏感設(shè)備的故障定位測試

根據(jù)上述試驗現(xiàn)象描述與初步分析,因曲軸、凸輪傳感器信號均為霍爾矩形波的數(shù)字量,具備一定的抗干擾能力,為了驗證是否是由于軌壓傳感器受擾而導(dǎo)致的熄火,可采取如下試驗方案來進(jìn)行驗證測試。

首先,在ECU的A、B、C三個端口用電流卡鉗施加干擾信號,出現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火等敏感現(xiàn)象。然后,通過軟件策略模擬共軌燃油壓力傳感器的輸入信號(1.5V),使車輛穩(wěn)定在怠速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下,并在傳感器線纜與ECU斷開的情況下對A、B、C三個端口進(jìn)行復(fù)測,均未再出現(xiàn)敏感現(xiàn)象。由此可以判斷,由于共軌燃油壓力傳感器受到干擾并導(dǎo)致ECU誤動作使車熄火的可能性最大。

3.故障原因及機(jī)理分析

依據(jù)上述的測試結(jié)果分析,下面將從電磁干擾構(gòu)成的三要素(干擾源、耦合途徑以及敏感設(shè)備)來對干擾機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

1)電磁干擾源分析

由于該車輛的高機(jī)動特性,可能會處于各種天線發(fā)射產(chǎn)生的輻射電磁場內(nèi)。這些輻射電磁場將在線纜上產(chǎn)生耦合效應(yīng),形成共模干擾。其中至少包含了本車可能安裝的超短波通訊電臺,在其大功率發(fā)射時,天線基座附近產(chǎn)生的場強(qiáng)可以達(dá)到70~80V/m。因此,即使從系統(tǒng)兼容的角度考慮,這種干擾源也是必然存在且無法改變的。同時,由于該車身結(jié)構(gòu)特征,不可能做到良好的車體屏蔽。所以,為了解決共軌壓力傳感器的敏感問題,只能從另外兩個要素上尋找解決方案。

2)干擾耦合途徑

(1)地回路耦合途徑。

從圖13－25可以看出,共軌壓力傳感器為金屬封裝,與發(fā)動機(jī)主體的連接方式為金屬螺紋固定。發(fā)動機(jī)本體沒有設(shè)置專門的搭接線接地,起動機(jī)有一根50mm寬的接地線連接回電瓶負(fù)極。從車輛檢查情況看,車架表面涂有防銹漆,發(fā)動機(jī)與車架間有減震墊連接,僅靠固定螺栓很難保證足夠小的接地電阻,整個車體地上存在著較大的交流阻抗,面對外部電磁輻射場,電磁場在車體表面容易形成渦流,并可通過地回路串?dāng)_進(jìn)傳感器電路中。圖13－25軌壓傳感器安裝位置

(2)傳輸線纜耦合途徑。

ECU連接傳感器的線纜采用普通電纜連接,沒有采取絞合或屏蔽的措施,特性阻抗很不穩(wěn)定,線纜間距很小,容易引起高頻干擾信號的串?dāng)_。如果線纜兩端的連接設(shè)備沒有同時做好濾波,則干擾信號將直接或間接地進(jìn)入電路中,從而引起敏感現(xiàn)象。

3)敏感電路

共軌燃油壓力傳感器的工作原理是將共軌內(nèi)傳遞的燃油壓力,通過壓敏電阻的阻值變化,改變電橋的平衡狀態(tài),將壓力值轉(zhuǎn)換為電壓信號(Vh和Vl),通過放大器將該電壓信號放大,然后輸出到ECU進(jìn)行結(jié)算,控制發(fā)動機(jī)的噴油壓力。原傳感器前部電路原理圖如圖13－26所示。電橋輸出的電壓非常微弱,放大器的放大倍數(shù)接近400倍,輸出給ECU的軌壓信號也是一個1~4V變化的電壓信號。在施加干擾的情況下,干擾能夠通過線纜的耦合、地回路的耦合進(jìn)入到傳感器電路中,導(dǎo)致敏感現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖13－26原傳感器前部電路原理圖

(1)傳感器前部——壓力采集轉(zhuǎn)換部分。

電橋輸出的電壓(Vh、Vl)是十分微弱的信號,PCB上的線間耦合以及地回路的串?dāng)_,很容易影響其信號品質(zhì)。如果在電橋輸出信號與放大器之間不設(shè)計濾波電路濾除高頻干擾信號,當(dāng)干擾達(dá)到一定的強(qiáng)度后,干擾信號也會由放大器輸出到后級,并影響ECU的解算。共軌壓力傳感器為金屬封裝,與發(fā)動機(jī)主體的連接方式為金屬螺紋固定,相當(dāng)于與車體共地。如果電橋的接地與車體地不隔離,則外部輻射干擾在車體金屬外殼上形成表面電流,這種地電流就有可能影響電橋的輸出,且電橋輸出與放大器之間沒有設(shè)置濾波電容,干擾信號經(jīng)放大器放大后就會影響軌壓信號的輸出電平。這就印證了在10V/m的外加干擾場強(qiáng)下,仍然會出現(xiàn)發(fā)動機(jī)熄火現(xiàn)象的可能的原因。

(2)傳感器后部——共軌壓力信號輸出部分。

從圖13－27分析,傳感器電路的輸出部分考慮了濾波措施。由于傳感器PCB的參考地取自ECU的信號地,為避免長線纜傳輸路徑上耦合的干擾,使用了磁珠與電容的LC濾波電路,起到了濾除高頻噪聲的作用。同樣,在輸入5V電源與輸出信號端,也都采用了磁珠加電容的LC濾波電路,也應(yīng)該具有一定的效果。圖13－7原(設(shè)計不足)傳感器后部電路原理圖

4.傳感器解決方案

1)濾波設(shè)計針對軌壓傳感器電路,在電橋輸出與放大器電路之間,可增加低通濾波電路,同樣需要兼顧考慮響應(yīng)時間常數(shù)(τ1)與增益的要求,低通濾波器的時間常數(shù)(τ2)應(yīng)小于等于τ1,并留出30%的設(shè)計裕量。

在共軌壓力傳感器內(nèi)部電路中,在輸入的5V電源、輸出的軌壓信號與地之間,根據(jù)軌壓傳感器設(shè)計響應(yīng)時間常數(shù)(τ1)與增益要求,可增加合適參數(shù)的濾波電容,以濾除高頻部分的雜散信號;在LC濾波之后增加并聯(lián)穩(wěn)壓二極管,使得電源電壓更加平穩(wěn),改善了過渡特性,正常工作時,穩(wěn)壓二極管增加了輸入電壓與輸出信號的穩(wěn)定性;在ECU內(nèi)部的PCB上,對于與軌壓傳感器連接的信號輸入、輸出電路,也應(yīng)考慮同樣的濾波處理,以濾除不必要的高頻雜散信號,提升系統(tǒng)的抗干擾能力。濾波設(shè)計方案見圖13－28。

圖13－28濾波設(shè)計方案

2)連接線纜設(shè)計

傳感器連接線纜應(yīng)選用絞合線,可以大大減小電纜上測得的高電平串?dāng)_及共模干擾。根據(jù)實際安裝情況,如有條件,使用屏蔽絞合線將取得更好的效果。

3)接地搭接設(shè)計

為減小接地點之間的地電位差及地回路間的交流阻抗,避免干擾信號在地回路上的串?dāng)_,通常車載設(shè)備都是以車架作為整車的參考地平面,凡是直接或間接與車架連接的接地點,連接點都需要進(jìn)行處理,以保證足夠低的接地電阻。對于無法與車架進(jìn)行直接或間接的硬連接接地設(shè)備,例如發(fā)動機(jī),需要增