车联网系统中电磁干扰问题分析与优化
摘要：近年来，随着社会建设的不断发展，针对车联网系统中电磁干扰不合格的问题，基于系统架构和测试设计方案分析频点超标的具体原因，将骚扰源定位在开关电源和语音芯片内部的锁相环倍频上，并根据原理图和布局布线提出抑制传导干扰和辐射干扰的优化措施，对开关电源采用RC吸收电路解决与噪声不匹配的问题，对于语音电路采用对高频噪声吸收较好的磁珠和共模滤波器等用于抑制噪声，结合π型滤波器电路降低噪声的峰值。经过优化后的方案复测已满足认证标准要求，并且配合整车联调测试通过EMC的标准，满足了整车使用的可靠性要求。
关键词：车联网系统;电磁干扰;问题;优化
引言
为应对日益严峻的石油危机以及环境问题，大力发展新能源电动车已经成为国家的大战略方针。近些年在国家政策的扶持下，国内电动汽车产业得到了快速发展，我国也成为了新能源汽车制造大国。相对传统燃油车，电动汽车具有环保节能等诸多优点，尤其是近年来国内油
价屡破新高使得燃油汽车的使用成本居高不下，此时电动汽车的优势就更加明显了，据相关权威机构研究法发现，电动汽车的使用成本相对燃油汽车一年将要减少8000～10000元之间。并且随着汽车工业的发展电动车的物联网应用也越来越普及，相对传统燃油车电动汽车由于搭载了越来越多的终端电子设备，同时由于车身结构设计紧凑性要求，使得电子设备的布置也越来越集中，加上最近几年来车联网的兴盛越来越高端的车载通信设备河导航设备也越来越普及了，使得汽车配置了大量电子设备，且电子设备的工作频率从几赫兹到几兆赫兹，产生极为复杂的电磁干扰环境，给汽车电子元件工作带来极大的安全隐患。因此如何高效解决汽车电磁兼容问题已经迫在眉睫。
1车载TBOX系统架构和设计
汽车影音娱乐系统车载TBOX系统主要用于车辆状态信息显示和车内的影音娱乐，通过CAN总线读取车辆的状态信息，经过GSM和GPRS实现远程服务器的数据上传和交互过程。车载TBOX系统架构如图1所示，主要包括电源管理芯片、基带模块、射频模块、语音模块和MCU模块。电源管理芯片提供系统各电路模块正常工作所需的电压，确保工作电流和电压稳定可靠；基带模块和射频模块所需电源为3.3V，主要完成信号调制解调以及GSM通话和GPRS数据交
互；语音模块所需电源为3.3V，完成车载影音娱乐的音视频播放，输入车机的麦克风，输出扬声器到车辆音响功放；MCU模块所需电源电压为5V，通过CAN总线实现和车机其他部件的数据通信；TBOX连接器用于连接车辆的扬声器、麦克风和蓄电池等其他部件，是电磁兼容性测试外部干扰源输入的主要途径。车载TBOX的电磁干扰传播途径主要有以下三个方面。1）辐射干扰：包括语音模块的扬声器和麦克风产生的辐射干扰，射频模块功放对外的辐射干扰。2）传导干扰：包括车机扬声器和麦克风通过连接器输入的传导干扰，以及电源模块对外产生的传导干扰。3）线间串扰：语音信号线Audio_L和Audio_R的相互干扰。车载TBOX的原理图设计如图2所示，电源管理芯片供电来自蓄电池，通过内部DC-DC降压电路和LDO输出V1_3.3V和5V电压V2，基带芯片的GPIO作为中断控制，I2C信号用于控制语音芯片的输出状态，MCU实现CAN总线的通信相关功能。
2电驱动系统电磁干扰研究
电驱系统结构，电动汽车的动力系统与传统汽车完全不同，电动汽车主要采用高压电机驱动系统作为车辆的主要动力来源。池包、电动驱动系统，高压转换系统等三电控制系统。动力电池包的额定电压高达144伏特，电机的最大输出功率高达18000瓦特，汽车全负荷稳
定工作期间变换器稳定工作期间IGBT两端的最高实际电压可达150伏特。驱动系统中的高功率元器件的dvdt/和di/dt开关特性、以及电机的转速和扭矩的变化都会产生很高的电压和十分大的频率带的电磁干扰。这将严重干扰汽车的相关安全驾驶系统和智能驾驶系统的正常工作，甚至导致安全事故。
3常见的电磁干扰
3.1动力电池正极电源线传导骚扰测试
照法规标准（GB18655）测试结果。知该在大多数的电磁波频段范围内该车的车载电驱动系统的高压驱动系统的电源线传导骚扰的最大值和平均值都远远超过了法规规定的最大值，这将潜藏极大的安全隐患，因此是不满足要求的。
3.2 DC/AC控制器负极电源线传导骚扰测试
DC/AC控制器12V电源线上的传导骚扰标准测试结果，结果显示其平均值在某些频段超标，其中图中红点和黑点为重点超标频点。
4电磁兼容性优化
4.1电源优化
电源管理芯片选择的NXP公司的UJA113X系列，EMC已做过优化，通过40PIN连接器的KL_12V信号供电TBOX，电源管理芯片内部经过DC-DC降压并输出两个LDO用于TBOX的语音模块、基带模块和射频模块的取电。在电源输入VBAT处串联磁珠和TVS二极管分别用于EMC滤波和ESD静电防护，对地增加220μF、47μF大电容和0.4μF、0.1μF小电容，用于提高滤波频段，为40~130MHz的高频噪声提供对地通路，在PCB布局中电容尽量靠近芯片的BAT引脚摆放，两个LDO输出也增加了旁路电容，用以减少电源噪声。
4.2 I/O接口和CAN总线优化
40PIN连接器是TBOX和车机通信的接口，是外部车机干扰源和自身传导辐射的主要途径。在蓄电池信号KL_12V附近串联330Ω的磁珠和并联对地的去耦电容滤掉信号的传导噪声，在Audio_L和Audio_R靠近连接器处分别串联在40MHz频点附近滤波效果好的磁珠，抑制传导干扰的辐射。在PCB布线中，滤波器件需要靠近对应引脚，并做好敏感信号Audio_L和Audio_R的包地处理，以及电源KLV_12V的打地孔信号回流，做好隔离保护措施。车载TBOX和汽车主机通信协议为CAN总线，可读取汽车的实时状态和执行指令。对于CAN总
线的EMC问题分析，选择性能较好的共模电感，既可以滤除来自外部的共模干扰，也可以抑制自身对外发送的传导噪声。在MCU的电源输入端加0.1μF的滤波电容，用于消除高频噪声，CAN_H和CAN_L输出经过共模电感对电磁干扰信号进行有效抑制。
4.3优化后复测
经过以上优化措施后，复测RE在频率30MHz~1GHz的测试值，已经可以满足车载标准EN55032中的指标限值要求，频点在45MHz时值为32.014dBuV，已留有8dBuV的裕度范围，同时复测了广播业务和移动业务下的CE项和ALSE等，EMC兼容性测试均可通过标准规范，证明优化措施没有带来新的EMC测试问题。
结语
综上所述，电机驱动系统正常工作期间IGBT高频率的开关会产生高强度的电磁脉冲，是电机驱动系统的主要电磁干扰源之一。电机驱动系统的电源线也是电磁干扰源的主要来源之一。电机驱动系统工作中产生的高强度的电磁波干扰，也是电动汽车重要的电磁干扰源之一。通过对车载 TBOX 的电磁干扰测试项 RE 超标 问题进行分析，出干扰源的传播途径，
并结合原理 图设计和 PCB 布局给出改进方案，针对电源管理、语 音模拟信号和 CAN 总线部分设计进行优化，通过实 验复测 EMC 相关测试项，验证了优化措施的有效 性，最终满足车载标准规范中电磁兼容的指标要求。
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