關于汽車零部件測試中的大電流注入抗干擾試驗原理及應用分析

參考標準：ISO 11452-4:2020 

曾經汽車最怕電磁干擾的是收音機，最大可能釋放電磁干擾的部件是發動機。但隨著汽車的各種功能的發展，汽車電子元件越來越多，現在一輛高端的乘用轎車全車電子元件甚至可以達到200個，因此汽車受電磁干擾的影響也越來越大，產生的電磁干擾也越來越強。于是汽車的電磁兼容從此被當作了非常重要的評價標準。并且隨著汽車電氣化智能化的需求越來越高，電磁兼容已經成為汽車尤其是新能源汽車設計生產不可回避的關鍵問題之一：新能源汽車使用電驅動系統驅動車輛，在車輛充電和放電過程中，大功率半導體開關器件動作會引起高電壓、大電流的突變，從而發出強烈的電磁干擾。如果電磁輻射過大，就有可能引起自身或周圍電子設備的功能失效或誤動作，甚至燒毀或擊穿元器件，對我們的日常生活和車輛的安全行駛造成嚴重影響；同樣如果車輛自身的抗干擾不足，車輛在行駛過程中也會存在極大的安全隱患。

 汽車工業的快速發展和汽車市場的激烈競爭極大地促進了各類電氣、電子和信息設備在汽車上的廣泛應用，對于今天的汽車產業，應用電子技術的程度已成為提升汽車技術水平的重要標志之一。電子設備廣泛應用于汽車發動機控制系統、自動變速系統、制動系統、調節系統以及行駛系統中，對汽車的安全性、可靠性、舒適性起著決定性作用。

大電流注入(BCI)試驗原理

      大電流注入試驗：是通過電流注入探頭直接將干擾信號感應到DUT 試驗線束的一種方法，注入探頭是一個電流互感器，被測樣品(DUT)的試驗線束通過注入探頭。

1、 電流注入探頭能夠將要求頻率范圍內的干擾信號耦合到試驗線束，也要能夠承受較大測試Level 的輸入功率。

2、要考慮注射探頭的測試電平飽和和DUT電流飽和。

測試方法及頻率范圍

主要取決于能量轉換單元的特性,根據適用頻率范圍：

BCI的測試方法頻率范圍為：100kHz至400MHz

TWC的測試方法頻率范圍為：400MHz至3GHz

測試需要在屏蔽室內執行。

干擾信號調制圖

1. CW                       

2. 1 kHz sine wave at 80 %

3. PM1 (PM, similar to GSM), with ton = 577 μs and period = 4 600 us:

4. PM2 (PM, similar to Radar), with ton = 3 us and period = 3333 us:

大電流注入(BCI)試驗方法

1、替代法：

注入探頭在距DUT連接器（150±50）mm; （450±50）mm; （750±50）mm;這個距離從探頭的中心/中點測量

如果在測試中用到測量探頭，則測量探頭放置在距DUT連接器（50±10）mm的位置

2、閉環法

注入探頭應放置在距離DUT連接器(900±10)mm處。從注入探頭的中心/中點測量到DUT的距離。電流測量探頭應放置在距離DUT連接器(50±10)mm處。

3、管狀波測試法

使用管狀波耦合器將干擾耦合到測試線束中。

管狀波耦合器應放置在距離被測件(100±10)mm處，并與接地面隔離。連接射頻信號發生器和放大器輸出到靠近DUT的端口上。50 Ω負載電阻應與接地平面絕緣隔離，并放置在最小距離線束200mm的距離處，連接到TWC的第二端口。

大電流注入(BCI)試驗干擾原理分析

BCI測試系統主要由信號源、功率放大設備、功率計、電流耦合鉗及控制軟件組成。根據電磁理論和原理，電流鉗產生一個感應磁場 ，當有導體通過該感應場時，導體上就會產生感應電壓，如果該導體具有一個閉合回路，就會形成感應電流，導體上感應電流的大小，除了與感應磁場的強度相關外，還與導體閉合回路的阻抗相關，當感應磁場恒定不變時，導體閉合回路阻抗越小，形成的感應電就越大。對于BCI試驗的解決方案而言，切斷耦合路徑和提高回路阻抗是預防和解決干擾的重要手段。BCI測試方法中，其注入方式分為兩種：一種是共模注入方式CBCI，一種是差模注入方式DBCI。

      BCI試驗系統的基本組成及校準原理，如圖4所示。由功放通過定向耦合器向注入鉗輸出功率，再由校準裝置進行耦合感應，校準裝置端接50Ω負載，另一端輸出至功率計，讀取注入功率參數。

      在共模注入CBCI和差模注入DBCI中，所注入電流的能量和干擾路徑是不同的，兩種試驗結果也會產生較大差異。如圖7所示，差模注入（DBCI）的特征是噪聲在線束與線束之間形成回路，回流路徑基本是阻抗較低的線束或通路，通常是地線。共模注入（CBCI）的特征是噪聲在線束與地之間形成回路，通過空間耦合與地形成回路。從上圖中可以看出差模與共模整個回路是完全不同的，即使是同一被測樣品，兩種測試方法，也可能存在不同的試驗結果。

解決思路

上圖8為阻抗分析的簡易模型，R3為人工電源網絡，阻抗為ZL3，R2為端口線束對地電阻，阻抗為ZL2，R1為負載電阻，阻抗為ZL1，設定阻抗ZL1 << ZL2、ZL3，在線路中注入交變能量時，由于ZL1阻抗較小，線路中的交變能量轉換為電流流過R1，由于注入線束與其它線束（線與線、PCB走線與PCB走線）之間存在分布參數（分布電容、分布電感），當注入頻率達分布電容、分布電感的諧振頻率時即形成耦合通路。如果要泄放耦合到的交變能量，可以通過設定一個更小的阻抗回路進行轉移泄放，或者將ZL1的阻抗增大，減小閉合回路中的電流。ZL2為近端泄放路徑的阻抗，ZL3為遠端泄放路徑的負載阻抗，C為等效電容，L為等效電感，在不考慮交變能量方向性的情況下，最終注入線束中總阻抗Z即為：

總阻抗Z ＝ （R1//R2//R3）+ j（XL-XC）

根據上述理論，可在不影響樣機正常功能的前提下，對地并聯一定參數的電阻或電容，對噪聲電路進行旁路處理，從而降低R1上的感應電流，使交變噪聲能量在就近端口回流至地，減小耦合能量，提高電路的抗擾能力。

整改對策

如下圖9所示，在信號線輸出端口增加一級RC吸收電路，目的為噪聲提供一個低容性回路，將線束上的交變能量就近進行泄放，使噪聲電路不再通過IO電路被注入到MCU形成干擾。

總結

對于BCI大電流試驗失效的整改，工程師需要了解其干擾機理，定位其干擾路徑、分析其受擾電路或模塊，才是解決問題的關鍵。屏蔽、接地、旁路、去耦、阻抗調整、數字濾波等都是解決電磁干擾的有效手段。在行業中，衡量一套電磁兼容解決方案是否優秀的標準，即是采最簡單的電路、最低廉的成本和最有效的測試結果，往往整改方案越簡單，實現起來就越容易，就越容易達成解決問題的目的。

關于東電汽車電子EMC實驗室

      東電檢測汽車電子EMC實驗室擁有最高供電電壓1000V、電源100A，滿足主流汽車電子零部件產品（如車載導航、車載影音系統、功放、中控臺、大燈、空調控制系統、倒車雷達、流媒體后視鏡、液晶儀表盤等等）及車企測試要求。