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汽车电子车载通信终端EMC设计

2020-04-03 23:20汽车电子 人已围观

简介作为车联网的主要部件,车载通信终端(英文名称是Telematics BOX,简称T-BOX),承担着车内网与车外网之间的数据通信、车身数据采集、远程控制等重要功能,因此应用越来越广泛,尤其...

  作为车联网的主要部件,车载通信终端(英文名称是Telematics BOX,简称T-BOX),承担着车内网与车外网之间的数据通信、车身数据采集、远程控制等重要功能,因此应用越来越广泛,尤其是《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》(GB/T 32960)国家标准的出现,使得 T-BOX 前装率将得到大幅度提升,设计方在满足了车厂对车载通信终端日新月异的功能需求同时,也要应对来自 EMC 设计带来的挑战。本文主要对 T-BOX 进行介绍和 EMC 设计分析。
  

  1车载通信终端介绍

  
  作为汽车电子产品,T-BOX 对可靠性、工作温度、抗干扰等方面有着严格要求,T-BOX 主要工作器件采用车规级,可以在-40℃~+85℃环境下工作,在车辆上使用车载蓄电池供电,内置备用电池可以在应急环境下报警使用。T-BOX 主要由主机、天线(卫星+移动天线)、电源线束和外置附属配件等部分组成,其中主机内有移动通信模块(内置集成有卫星通信功能)。当主机通电工作时,MCU 处理器读取车身 CAN 总线报文数据,与移动通信模块将解析后的位置信息一起通过移动网络将信息上传到后台服务器,交给后台进行分析和处理;同时,车载 T-BOX 在获取到下行控制命令后,通过 CAN 总线发送控制报文并实现对车辆的控制,可以帮助用户实现远程遥控车辆、数据监控、远程报警等多种在线应用功能。T-BOX 系统主要包括:4G 模块、MCU 处理器、CAN 总线、音频处理、电源管理、接口电路等,见图 1 系统框图。
  

  2车载通信终端 EMC 设计

  
  针对 T-BOX 的 EMC 测试主要包括辐射类、抗扰类和 ESD测试,其中,RE 测试、BCI 测试、和 ESD 测试是重点,在产品设计之初若考虑不当,测试中产品会出现 NG 现象,RE 测试结果导致个别频点超出设定标准;在 BCI 测试时产品受干扰会出现监测数据乱码;ESD 会导致接口损坏或驱动 IC 失效等问题,因此需要从设计源头入手分析,在实验中采取有效的对策,才能够降低产品的 EMC 风险。
  图 1 T- BOX 系统框图
  图 1 T- BOX 系统框图
  
  2.1车载通信终端 RE 问题及解决措施
  
  RE 测试是衡量被试品通过空间辐射对其他设备的骚扰能力。汽车电子的 RE 测试检测频率一般从 0.1MHz 开始, 最高可以达到 3GHz,几乎覆盖到所有通讯行业频率,造成RE 超标的原因是多方面的,如设计电路有缺陷、PCB 布局问题、结构屏蔽效能低、器件选型问题等等,因此需要针对具体问题而具体分析,在笔者的一个项目曾经遇到低频段1.2MHz 频点严重超标,通过排除法定位了来自电感器件问题,采用全封闭电感替代半封闭电感后,通过实验再次验证, 辐射明显降低了。如图 2、图 3 所示。
  图 2 整改前测试图片
  图 2 整改前测试图片
  
  针对 RE 辐射问题,常见的解决办法如下:
  
  2.1.1降低干扰源辐射能量
  
  T-BOX 内部电路各个器件工作时钟 CLK 频率也各不相同,从几百 KHz 一直到几十 MHz,通常为了降低时钟对外能量辐射,在器件收发时钟线上串联 10-22Ω不等的电阻, 让时钟脉冲上升沿变为缓慢上升;同时对时钟线要做包地处理;空间上与其他布线之间要满足 3W 原则;其他模拟信号电路要远离时钟干扰源。
  
  2.1.2PCB 布线要优化
  
  电源、地的环路布局面积要小,电源入口线要最短;差分信号线要同层、等长、并行、阻抗一致,差分线间无其他走线;高频信号走过孔要少;个别 DCDC 电源加屏蔽壳接地处理;重要信号线勿走折线。
  
  2.1.3器件布局方面要合理
  
  晶振、晶体等强辐射器件要远离敏感器件,并且要远离PCB 边缘,在晶振周边加隔离地,与 MCU 之间引线要短; 接口信号的滤波防护器件要遵循先防护后滤波原则。
  
  通过以上多种处理措施,能够将 RE 干扰能量降低,有效地解了决 RE 辐射超标问题。
  图 3 整改后测试图片
  图 3 整改后测试图片
  
  2.2车载通信终端 BCI 问题及解决措施
  
  BCI“Bulk Current Injection”(大电流注入)是用来衡量各车载设备抵御耦合到线束上的射频干扰信号的能力,是汽车电子产品常用的一种抗干扰试验方法。BCI 的工作原理是利用电流注入探头互感器将干扰信号感应至线束,射频干扰信号通过电流注入探头耦合后,转换为射频电流,在线束中以共模方式流过,因此干扰方式主要是以共模干扰形似存在, 一般测试的频率范围从 1Hz 至 400MHz。依据测试标准 ISO 11452-4:2005《道路车辆.窄带辐射的电磁能量产生的电干扰的部件试验方法第 4 部分:大电流注入(BCI)法》,对 T-BOX 进行试验检测,试验中需要对包括 4G 通讯、CAN  通讯等主要功能进行实时监控。
  
  在做BCI 测试时经常发现 CAN 报文数据和 USB 接口数据出现乱码现象;按键接口偶尔会误动作现象,对上述实验原理进行分析,一般采用下面两种做法:
  
  (1)对于 USB、CAN 之类属于差模信号传输,而施加的回路干扰属于共模类型,串上共模电感能较好的抑制共模干扰,并且共模电感对有用的差分信号没有任何衰减。
  
  (2)对于单端信号,像按键、LED 之类的差模回路类型,采用滤波器方式,在线缆入口处放置滤波电容,根据施加干扰频率范围,选择有效滤波频段和电容容值,能够将干扰信号降低滤除。
  
  因此,对于 BCI 测试,针对不同的电路设计模式,采用有效的对策手段,能够取得明显的效果。
  
  2.3车载通信终端 ESD 设计
  
  ESD 是 T-BOX 在 EMC 设计中最需重要环节,ESD 试验是为了评估车载设备遭受来自操作者直接接触放电和临近物体间接放电的抗扰能力,一旦 ESD 失效,会导致 T-BOX 主机某些接口功能失效或器件损坏,直接影到响产品使用, 对于 ESD 防护设计,主要从硬件角度进行考虑,包括原理图设计、PCB 布局和结构设计等综合处理方法。以下列出相关设计经验供大家参考。
  
  (1)设计前期需要确定 T-BOX 耐受ESD 电压等级, 所选防静电器件要高于测试电压,确保 ESD 实验时静电不会将 T-BOX 接口内部器件击坏。
  
  (2)在原理图设计阶段,需要在 T-BOX 所有与外界交互的接口处要预留 TVS 管等 ESD 保护措施,用于提高接口的抗 ESD 干扰能力。
  
  PCB 元件布局时,要保证静电通过 TVS 管对地泄放回路路径尽可能短, 并且泄放回路阻抗要足够低;TVS 管等 ESD 保护措施尽可能放在接口处附近,当静电由端子外部向内部沿信号线传递时,首先要经过 TVS 管及保护措施,并且可以在信号线上串微小电阻,能够有效的拦截静电流流入板内。主机所有元件布局时,器件距离四周板边缘要≥5mm, 并且在此区域内不要布信号线,而是铺满地层,对于多层PCB,板子边缘要多放置一些地孔。
  
  (4)在结构设计时,壳体缝隙要足够小,用于防止空气放电时静电窜扰到壳体内部 PCB 板上,而击坏器件。
  

  3结论

  
  随着汽车工业的发展,汽车产量与保有量都在不断攀升, EMC 设计在汽车电子中的地位日益重要,汽车电子的 EMC 标准要严于其他类产品,通过 EMC 试验测试,能够客观的评价T-BOX 电磁兼容设计能力。针对 EMC 测试问题,可以从设计源头出发,采取有效地对策措施,从而降低产品的 EMC 风险, 保障了产品质量,本文所提及的 EMC 解决方法也可以应用到其他类电子产品中。

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