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1、【实例分析】车载设备间干扰探究发生源、降低噪声水平(一）2009/06/01 00:00 车载导航仪处于车载系统的电磁波环境中，所涉及的频率从数十kHz一直到GHz（加上车载雷达可达到77GHz），涉及范围相当大（图8）。而且在电场强度上，从发送器及接收器来看，处理范围也达到了160dB（原信号的1亿倍）。这也许是人们公认“汽车为最严重EMC环境”的理由之一。 图8：车载导航仪的频率和电场强度本图仅用于简要说明，并不精确。另外，频率及水平因车辆及供货目的地而异，因此实际设计时请参照正式的要求。（点击放大）让我们回顾一下电磁噪声发生和传播的基本原理。用傅利叶级数展开振幅为1Vp-p（峰-峰电压）
2、的时钟信号时，会发现其具有高频率成分（图9）。也就是说，不仅是主波，而且高次谐波变为电磁噪声后，也会产生干扰。另外还可发现，如果上升边缘和下降边缘的倾斜度减缓，就有助于降低高频率成分的水平。（特约撰稿人：大山 真次=电装） 图9：电磁噪声的发生和传播高次谐波变为电磁噪声。在发生源降低其强度，或在传播途径中使之衰减。【实例分析】车载设备间干扰探究发生源、降低噪声水平探究电磁噪声的发生源 在车载导航仪电路中，开关电源DC-DC转换器、CPU时钟、内存总线时钟及视频信号等是主要电磁噪声发生源。这些电路产生的电磁噪声会在内部线路及机壳中传播后，再经由与外部连接的线束传播，形成干扰电场，也即噪声辐射。因
3、此，在处理电磁噪声时，业内一直采用在发生源尽可能降低其强度，或在传播途径中使之衰减的设计思路。 图10展示了通过实际的车载导航仪印刷底板测定的数据。用示波器探针（FET探针）接触紧靠CPU的接地层，观测了接地层的电位变动和接地层电压的频谱（这里的FET探针基准点位于钣金机壳的代表点）。结果显示，应为0V的接地层电压剧烈变动，产生了100MHz、甚至1GHz的高频电磁噪声电压。 图10：实际的电磁噪声水平在FM频段，接地层的电压频谱与放射频谱形状极为相似。发生源的降低（接地层对策）和传播途径的衰减（吸收）都十分重要。（点击放大）另外，如图10下部，测量了同一导航仪的ECU（电子控制单元，以下称导
4、航仪ECU）的辅射放射，结果与接地层的电位变动频谱相似。比如，从100MHz附近（FM收音机或电视频段）来看，窄频段的频谱极为相似，表明放射起因于接地层的电位变动（底噪水平因传播途径的频率特性而异）。也就是说，通过抑制接地层的电位变动，就可降低放射。 这里要注意的是在考虑电磁噪声对策之前，需要彻底观察频谱仪的图像，充分理解什么地方发生了什么情况。从图10中的电位变动频谱来看，（1）1M10MHz存在锯齿状波峰，随着频率升高，齿的间隔越来越细，（2）10M100MHz存在山丘状隆起，（3）100M1GHz存在无规律的细小波峰。 （1）锯齿的间隔发生变化是因为横轴以对数分度，如果横轴按线性分度，间
5、隔就会均等。这一部分是以300kHz振荡的开关电源的高次谐波电磁噪声，一直到10MHz附近。 值得注意的是看不到锯齿的10M100MHz。锯齿只是在上述300kHz的间隔中未能显示出来，但波峰是存在的，只不过是以这些波峰的包络线方式显示出来。这就是上述提到的（2）。也就是说，恰当的理解是，由电源振荡产生的高次谐波还延续到了100MHz。因此，通过深刻理解频谱分析仪的计测原理，对横轴及频段的设定等进行最佳调整，便可指定电磁噪声发生源，从容找出对策。【实例分析】车载设备间干扰探究发生源、降低噪声水平(三）考虑传播途径的衰减机制 要想减小（1）、（2）中电源导致的接地层电位变动，作为有效手段，可以采
6、取对CPU等电路的开关速度（由截止变为导通，由导通变为截止）进行限制的发生源对策，以及通过降低接地层的电阻来与电阻更低的接地表面（这时为车身）连接的传播途径对策。 这时，作为减少放射的发生源对策，技术人员常常采取对电路的开关速度进行限制的“钝化”手段（减少高次谐波成分的波形整形），但也有很多情况并未能够获得满意效果。这些技术人员并未注意到，用于钝化波形的电容器及电感器并不具备吸收能量的功能，从而出现了上述头疼的问题。 比如，为钝化电压波形而增加电容器后，尽管该波形得到钝化，但电路关闭时电容器导线中却有大的瞬间电流通过，放射出电磁噪声。相反，如果为使电流钝化而插入电感器，电路打开时电感器两端就会
7、发生反电动势，放射出电磁噪声。由于电磁噪声能量未消失，因此放射量最终不会下降。所以，作为电磁噪声吸收技术，可以考虑利用电路元件产生的损耗因数（tan）、磁滞损耗及涡流损耗导致的铁损，以及负载损耗即铜损等特性，将电磁噪声转换成热量。 电容器及电感器等部件由于结构及制造方法各异，能够保证电容及电感等特性值的频率范围受到不同限定。比如，在10MHz以下有效的部件以及在100MHz以上有效的部件，其结构本身存在不同，要在对此充分理解的基础上，使用与要想抑制的频率的级别相符合的部件。而且还要根据不同场合，通过组合结构不同的多种部件来覆盖广泛的频率范围。 上述（3）中的无规律间隔的波峰是由CPU、内存总线
8、及视频信号等造成的计算机噪声。作为解决该问题的有效手段，在发生源对策上可向整个总线及全部位率插入阻尼电阻以限制通向布线的充放电电流，而在传播途径对策上，则可采用基于底板多层化等手段的电源以及降低接地层的电阻。 抑制视频信号对收音机的干扰波 下面来介绍一下视频信号传输和收音机接收的设计事例（图11）。比如，在导航仪ECU和显示器以单独方式分开配置时，导航仪CPU形成的视频信号在经过D-A转换电路后，会以模拟RGB信号形式由信号驱动器传输至显示器。这时，电压的示波器波形就会变为以水平或垂直周期反复的波形。利用频谱分析仪对该电压波形进行分析后表明，不仅是液晶显示器（LCD）显示时需要的20MHz以下
9、频率范围，就连显示时不需要的频率范围也存在频谱。从图11来看，FM收音机频段中存在40dBV的电压。这些不需要的能量会从线束及机壳辅射出去，如果收音机的天线邻近线束，就可能对FM收音机的接收造成干扰。图11：影像信号的传输和收音机的接收不需要的能量由线束及机壳辐射出来。在FM频段中为40dBV左右。【实例分析】车载设备间干扰探究发生源、降低噪声水平(四）因此，以上述RGB视频信号为信号源，对线束与FM天线的耦合强度（S参数的S21透射系数，该系数越大，耦合就越强）进行了模拟。模型及其结果如图12所示。左侧的曲线图表示的是固定线束长度而改变信号源频率时的透射系数变化，右侧的曲线图表示的是以频率为
10、参数而改变线束长度时的透射系数变化。仅从该模型来看，线束与天线在FM频段中有4025dB左右的耦合。如果信号源存在40dBV的电磁噪声，就会给FM收音机的天线带来015dBV的电动势，从而可能影响FM收音机在弱电场下的接收灵敏度。 图12：线束的仿真（简单模型） FM频段中存在-40-25dB的耦合，因此信号源的40dBV电磁噪声会给FM天线带来015dBV的电动势。车辆中实际发生的耦合非常复杂，通过这一简单的模型无法做出正确判断，不过，为了使读者充分理解其水平，仍然在此进行了解释。对于抑制上述影像信号电磁噪声，以下手段十分有效。 （1）在D-A转换器输入数字信号总线中插入阻尼电阻来限制电流。
11、 （2）增大模拟RGB信号驱动器的输出电阻。由此减小信号传输电流，从而使电磁噪声的放射减少。 （3）使用屏蔽线等。 上述这些手段应该事先加入设计过程中。 注意高次谐波 下面来解释一下对导航仪尤为重要的GPS接收器与车载设备之间的关系。GPS卫星通常配备有频率为1.575GHz、发送功率为480W的收发器，但其运行高度却达到2万2000km，地面的接收功率极其微弱，只有130dBm左右（图13）。因此，如果其频段受到其他车辆所配设备的干扰，导航仪就无法发挥基本性能。由此来看，1.575GHz（1575.420MHz）的频率对于导航仪来说颇为重要。 图13：车载设备和GPS导航仪为保证性能，大都由
12、车辆厂商和部件厂商联手设计。这里要注意的频率，除了与GPS载波频率一致的电磁噪声源的基本频率之外，还包括为这一频率1/n倍的频率。比如，需要考虑由失真产生的高次谐波的频率与GPS载波一致的场合。图13为GPS列出了直到1/20的频率。 电装正在与车辆厂商联手推进设计初期阶段的研究，包括（1）对GPS频段承受的辐射放射制定适当限值，（2）在GPS天线的配备上下工夫，（3）为频率需要注意的设备开发配置方法，等等。 综上所述，作为放射来测量的电场频谱，其形状与发生源的交流电压频谱极为相似，因此，在设计阶段充分加入在电磁噪声发生源降低水平以及在传播途径中衰减的手段，便成为了关键。在传播途径方面，要从机
13、壳和线束两方面双管齐下。而GPS方面，则要着眼于天线，通过与车辆厂商密切合作，对整个车辆进行适当的设计。【实例分析】车载设备间干扰在测量方法上下工夫、高效降低噪声水平(五）图14展示了导航仪产品中功能集成度最高的音响一体型导航仪（导航仪）构造。导航仪正面配置液晶显示器模块，上部配置播放DVD/CD等的盘舱，盘舱下面垂直配置用以保存地图数据的地图板卡、音响板卡及导航仪CPU板卡。在这一构造中，导航仪CPU与收音机调谐器及GPS接收器同居一处，前者在车载CPU中辐射量最大，后两者则对电磁噪声特别敏感，因此EMC设计的难度必定很大。 图14：音响一体型导航仪的结构在车辆内，辐射量最大的CPU与电磁噪
14、声敏感性高的收音机调谐器及GPS接收器同居一处。导航仪内部所发生的电磁干扰主要包括：（1）导航仪内部LSI及电源对收音机的干扰、（2）收音机及导航仪内核对GPS的干扰。也就是说，导航仪中混杂着接收器、电磁噪声源以及可能成为电磁噪声源的接收器，存在“自家中毒”的危险（图15）。 自家中毒是指内置在设备中的CPU及电路等产生的电磁噪声给同一设备内的其他电路（无线接收电路等）带来不良影响的现象。也被称为“设备内EMC”、“系统内EMC”及“Self Jamming”等。 图15：音响一体型导航仪的内部电磁干扰接收器、电磁噪声源以及可成为电磁噪声源的接收器混杂在一起，容易出现自家中毒。对于（1）收音机
15、受到的干扰，目前电装正在用以下方法从开发初期起一边验证一边设计。该方法的特点在于，通过模拟弱电场的信号接收来进行缜细的EMC设计（图16）注1）。 注1）该方法由丰田汽车车辆技术本部第一电子技术部总工程师大江准三开发。 图16：使用导航仪内置收音机的干扰评测方法下面通过图16简要介绍一下测量方法。首先，如图16（a）所示，由载波和调制波产生广播台的模拟信号，并输入导航仪的天线。收音机具备AGC（Automatic Gain Control，自动增益控制）功能，输入电场较小时会提高放大器的增益，而输入电场较大时则会降低增益，由此进行动态控制。 要想测量导航仪内发生的电磁噪声，最好将收音机调整为最敏感状态（将放大器的增益调至最大）。为此，可通过用衰减器输入弱电场的模拟电视电波，将收音机调谐器的放大器增益调整至最大。然后，一边通过交流电压计观测扬声器的输出电压，一边导通或截止调制波，由此比较两者的电平。可将调制波导通时作为信号（Signal），而将截止时作为噪声（Noise），求出全部接收频率的S/N。比如AM广播，当调制波截止时，如果有电磁噪声，扬声器的水准仪就会出现信号。电磁噪声的频率和载波的频率产生差拍后，S/N就会恶化，这样便可指定电磁噪声源的频率及水平。 音频S/N通
