頻譜儀助力汽車電子順利測(cè)試電磁兼容

 現(xiàn)代電子產(chǎn)品的發(fā)展越來(lái)越快，產(chǎn)品所面對(duì)的使用環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，當(dāng)前各汽車廠家都在圍繞電子化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展等，電子控制系統(tǒng)在汽車上有越來(lái)越多的使用，汽車系統(tǒng)內(nèi)電子產(chǎn)品的電磁兼容問題越來(lái)越凸顯其重要性，為了規(guī)范電子產(chǎn)品的電磁兼容性，大部分的國(guó)家都制定了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),特別是軍-用產(chǎn)品尤其嚴(yán)格。電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)是使產(chǎn)品在實(shí)際電磁環(huán)境中能夠正常工作的基本要求。所以為了滿足各種電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求，在產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程中，就必須在每一個(gè)環(huán)節(jié)都要做好電磁控制和檢測(cè)，那么頻譜分析儀就成為了實(shí)驗(yàn)室中常用的一種設(shè)備。汽車安全是當(dāng)今社會(huì)所面臨的關(guān)鍵問題之一。

    接下來(lái)，本文就以一款產(chǎn)品中出現(xiàn)的問題，通過(guò)頻譜分析儀測(cè)試之后查找到問題的根源，并在去EMC認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室做認(rèn)證之前解決問題，使產(chǎn)品能順利通過(guò)認(rèn)證。

1. 故障描述

該系統(tǒng)為汽車通信端產(chǎn)品，要求通過(guò)GJB151A地面設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)要求。產(chǎn)品在EMC實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，CE102、CS101、CS114、RS103均順利通過(guò)試驗(yàn)，但RE102測(cè)試結(jié)果如圖1所示：

圖1  30MHz～200MHz原始輻射發(fā)射

    從圖1可以看出，輻射發(fā)射只能滿足固定產(chǎn)品要求，不能滿足地面電磁輻射要求，其中在50MHz-120MHz之間，輻射發(fā)射大超標(biāo)20dB，需要進(jìn)行EMC整改。

2. 原因分析

   查看產(chǎn)品，整個(gè)系統(tǒng)為金屬屏蔽機(jī)箱，另系統(tǒng)有1根屏蔽航插電源線，通常情況下，金屬機(jī)箱和屏蔽線纜都有很好的屏蔽效能，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，都能順利通過(guò)RE102輻射發(fā)射試驗(yàn)，因此，懷疑金屬機(jī)箱和屏蔽線纜存在電磁泄露導(dǎo)致測(cè)試失敗。

    所以利用實(shí)驗(yàn)室的頻譜儀診斷系統(tǒng)并查找輻射源，測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2所示：

圖2  電磁干擾診斷系統(tǒng)示意圖

    整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試包含有屏蔽機(jī)箱和線纜系成如下：

   （1）是德(安捷倫)科技頻譜分析儀型號(hào)：MXA N9020A ；帶寬范圍 20Hz～13.6GHz；

圖3 頻譜分析儀

   （2）Langer放大器：放大電磁干擾信號(hào)；

   （3）Langer近場(chǎng)磁場(chǎng)探頭：測(cè)量接受電磁干擾信號(hào)，探頭類型較多，如下圖4所示，一般在選擇探頭時(shí)根據(jù)測(cè)量的要求進(jìn)行選擇，需要在大范圍內(nèi)尋找時(shí),使用較大的環(huán)形探頭或者是比較大的扁型的探頭；需要精準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，選擇針式的探頭,這種探頭可以對(duì)每一個(gè)器件或者引腳進(jìn)行測(cè)量。

圖4 測(cè)試探頭

    將頻譜分析儀頻段設(shè)置為10MHz-1000MHz，使用近場(chǎng)探頭分別測(cè)試機(jī)箱的縫隙、通風(fēng)口、屏蔽線纜連接器及線纜，發(fā)現(xiàn)30MHz-200MHz均有很大的電磁干擾，如下圖5所示，因此可以判定電磁干擾超標(biāo)與機(jī)箱及線纜都有關(guān)。

圖5 較高的輻射

    拆解機(jī)箱，如圖6所示意，發(fā)現(xiàn)本機(jī)箱為扳金件，機(jī)箱各個(gè)縫隙處無(wú)任何屏蔽處理措施，且機(jī)箱接縫處有漆，導(dǎo)致機(jī)箱縫隙導(dǎo)電不連續(xù)，屏蔽效能下降，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。

   查看電源線屏蔽層的端接，發(fā)現(xiàn)屏蔽層是通過(guò)一根細(xì)導(dǎo)線與金屬連接器的外殼連接，即豬尾巴，如圖7所示：

      圖6 非屏蔽機(jī)箱圖

圖7 豬尾巴屏蔽電纜

     屏蔽電纜減小電纜輻射的原因主要有兩個(gè)：一是屏蔽層可以屏蔽電纜中差模信號(hào)回路的差模輻射；另一個(gè)是屏蔽層可以為共模電流提供一個(gè)返回路徑，從而減小了共模電流的回路面積，從這個(gè)意義上說(shuō)，返回路徑的阻抗越小越好，這樣可以將大部分共模電流旁路回共模噪聲源，具體原理如圖8所示：

圖8  屏蔽電纜降低輻射干擾原理

    共模電流返回路徑的阻抗由屏蔽層自身阻抗和屏蔽層與金屬機(jī)箱之間的搭接阻抗兩部分組成。“豬尾巴"的端接方式相當(dāng)于在屏蔽層上串聯(lián)了一個(gè)數(shù)十nH的電感，其一會(huì)增大屏蔽層共模電流返回路徑的阻抗，導(dǎo)致部分共模電流從大地返回，增大了共模電流的環(huán)路面積；其二共模電流會(huì)在屏蔽層產(chǎn)生共模電壓，該電壓會(huì)在屏蔽層與大地形成的環(huán)路（分布電容或地線形成）中產(chǎn)生新的共模電流，導(dǎo)致更大的共模輻射，具體原理如圖9所示：

圖9 “豬尾巴"端接方式電磁干擾原理

3. 改進(jìn)措施

   考慮到本機(jī)箱屏蔽設(shè)計(jì)非常之差，且電磁干擾超標(biāo)幅度較大，如果在原有機(jī)箱改動(dòng)，既達(dá)不到屏蔽效能的要求也不利于產(chǎn)品量產(chǎn)，因此，重新設(shè)計(jì)屏蔽機(jī)箱，除了保證機(jī)箱縫隙良好搭接之外，對(duì)通風(fēng)口也增加了通風(fēng)波導(dǎo)，設(shè)計(jì)的屏蔽機(jī)箱如圖10所示。

    對(duì)于屏蔽線纜，要滿足屏蔽要求，需要將線纜屏蔽層360度端接，以形成良好的導(dǎo)電搭接，在航空插頭的夾扣處，去除線纜絕緣套，露出屏蔽層，然后直接將屏蔽層用連接器末端的夾子卡住，將螺絲擰緊固定，形成360度端接，如圖11所示。

圖10 重新設(shè)計(jì)的屏蔽機(jī)箱

  圖11  互連電纜屏蔽層端接

    經(jīng)過(guò)以上整改，重新利用頻譜分析儀和近場(chǎng)探頭查看機(jī)箱和互連電纜的輻射發(fā)射，此時(shí)比之前的輻射大幅降低，如下圖12所示，整改達(dá)到預(yù)期效果。

圖12 較低的輻射

4. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    檢查并安裝好設(shè)備，將產(chǎn)品攜帶到認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)的輻射發(fā)射測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖13所示：

圖13   30MHz～200MHz整改后輻射發(fā)射

    從圖13可以看出，整改之后輻射發(fā)射裕量達(dá)到10dB，測(cè)試順利通過(guò)。

5 總結(jié)

   經(jīng)過(guò)整個(gè)之后，此款產(chǎn)品順利的經(jīng)過(guò)了認(rèn)證測(cè)試。說(shuō)明在產(chǎn)品研發(fā)的時(shí)候，盡量現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行摸底測(cè)試，使用頻譜分析儀和近場(chǎng)探頭能很好的檢查出產(chǎn)品存在的問題，這樣不僅很方便的查找問題，還可以節(jié)約去認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的費(fèi)用，所以頻譜分析儀已經(jīng)成為越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室常用的設(shè)備。