刘锴，黄瑞，潘亮

(株洲易力达机电有限公司，湖南株洲 412000)

0 引言

由于汽车车载全球定位系统、移动通信设备等零部件的电子化以及发动机电子控制，使得汽车的电子系统越趋复杂化，且汽车上大量电子开关的使用，无线设备的装备对电子兼容环境提出了更严苛的条件。

电磁兼容贯穿整个电子产品的开发过程，是作为可靠性设计的一个重要部分，直接影响产品能否量产的关键。EPS转向系统控制的辐射发射和传导发射是必测项目，难度大、整改周期长，综合EMC实验室实验数据以及工作经验，总结了EPS整改方法和整改措施。实验表明，EPS满足CISPR 25，对后续设计EPS电磁兼容具有指导性意义。

1 EMC相关知识介绍

1.1 EMC概述

电磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)由电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)和电磁抗扰度(Electromagnetic Susceptibility,EMS)组成。EMI主要包括辐射发射和传导发射；EMS主要包括辐射抗扰和传导抗扰[1]。

1.2 EMC设计

电磁兼容问题主要从电路设计、线路板设计、屏蔽结构、信号线、电源线滤波、电路的接地方式、程序软件设计、电磁环境适应性等因素考虑，具体在频率、幅度、时间、阻抗、尺寸以及软件设计等因素保证产品可靠性[2]。EMC设计阶段需要关注减小干扰源干扰，如采用较低频的芯片、降低设备功率或改变电气结构；其次减小耦合路径，如屏蔽干扰源设备和相关线束或增加线束滤波，减小传导和辐射干扰；最后提高设备抗干扰能力，如减小设备接收干扰面积或增大设备到干扰源距离、接地等。具体电子产品采用方法不同。

2 EPS的电源电路设计

2.1 EPS电源接口硬件结构

EPS电控系统电源接口滤波电路示意图如图1所示。

图1 EPS ECU电源接口滤波电路示意

电源接口滤波电路主要功能为电源滤波，以及对电压进行转换。在电源输入端配置电容和共模电感进行滤波，滤波分为前级滤波和后级滤波，前级滤波电路是EMI重要防护路径，原理图如图2所示，共模噪声会通过寄生电容以及容性耦合的方式传向输出电路，同时电源输出口需做好噪声的滤波和抑制，就能解决大部分辐射发射的问题。后级滤波电路对电源芯片转换过来的5 V与3.3 V进行滤波，提供纹波系数小的高质量的电源信号给后级电路使用。文中主要通过修改前级滤波电路解决电磁兼容问题。

图2 前级滤波电路原理

2.2 EPS软件结构

直流无刷电机的控制信号通常使用的是20 kHz的PWM波，因此在低频段出现的信号大多是20 kHz的谐振信号。在100 kHz～3 MHz频段内，乘用车动力部分使用的高速CAN总线的频率为500 kHz，影响频段50～108 MHz，但是不同电路设计会有所差异。

3 实际案例分析

根据CISPR 25规定了电源线传导发射基准限值，如图3所示，文中EPS系统采用12 V供电，在第一次进行电源线传导发射时多处出现超标现象，可以看出主要超标段在0.158～0.202 MHz以及42.55～42.95 MHz，而且在进行加负载测试时，测试曲线与图3基本一致。表1中记录了超标数据。

图3 电源线传导发射测试结果

表1 电源线传导发射测试数据

根据EPS的电源产生差模干扰、共模干扰特征，在3 MHz以内，以差模干扰为主；在3～30 MHz差模和共模共存；大于30 MHz以共模干扰为主。根据测试现场整改经验，可以通过采用滤波电路更换X电容、Y电容、增加磁环等方式。

针对42.55～42.95 MHz数据超标，无法直接确定是差模干扰还是共模干扰，可以简单地使用磁环来定位，确定是共模干扰还是差模干扰，选用磁环的频率阻抗曲线如图4所示，尽量使用靠近所要抑制频段附近具有较高阻抗的磁环。

首先将电源线正极、负极分别绕线套在EMI磁环内，示意图如图5所示，经过测试发现，磁环对测试曲线没有影响，对其他频段影响不大，正极套EMI磁环、负极套EMI磁环测试曲线如图6所示。

图4 磁环的频率阻抗曲线

图5 电源端口磁环配置

图6 电源端口正、负级分别套磁环测试曲线

其次将正极、负极同时套在EMI磁环中，示意图如图7所示，发现测试曲线有明显的改善，测试曲线如图8所示。

图7 电源端口磁环配置

图8 电源端口正、负级同时套磁环测试曲线

由此得出42.55～42.95 MHz出现的干扰，很大可能是由共模信号产生。共模传导骚扰是由于电源电路中的du/dt所产生的，与电源工作电压有关，在其他情况相同的条件下，du/dt越高，会带来更高的共模传导骚扰，电路中需要更大的共模电感或共模电容(Y电容)。

共模骚扰电流I的定义为

I=2πFC1U

(1)

式中：U为一定频率下的电压(准峰值或平均值)。

与差模传导骚扰类似分析，可以求出共模传导骚扰的频率和幅度：

(2)

理论上电感越大，EMI滤波效果越明显，但是会导致截止频率变低，分布电容变大，且高频电流经过分布电容使滤波电路的高频噪声抑制效果变差，工艺上制作困难，成本高。基于以上问题，文中选用共模电感为400 μH，更改Y电容CY为100 nF，测试通过。测试结果如图9所示。

图9 更改Y电容优化后0.1～108 MHz频段测试结果

优化后电源线传导发射测试数据如表2所示。

对于电源的差模传导发射主要是电路的di/dt回路造成的，电源端口传导骚扰的平均值超过标准限值10个dB以上，从图1可知，EPS的电源输入端口做了滤波处理，但是效果不理想。对于12 V系统，开关频率20 MHz左右，滤波是采用阻抗失配的原理进行的，当滤波器的输出阻抗Z0和与它端接的负载阻抗RL不等时，会在该端口发生反射，反射系数为ρ[3]，其计算公式如下：

ρ=(Z0-RL)/(Z0+RL)

(3)

滤波电路对于干扰噪声的抑制能力用插入损耗IL(Insertion Loss)来衡量，它定义了滤波电容前后噪声源在负载上产生功率的前后功率之比[4]。其中插入损耗IL的表达式为

IL=10lg(P1/P2)=20lg(U1/U2)

(4)

测试频率150 kHz，根据电路LC的谐振点F0满足：

(5)

表2 优化后电源线传导发射测试数据

差模传导骚扰是由于电源电路中di/dt所产生的，di/dt越高，会带来更高的差模传导骚扰，电路中需要更大的差模电感或差模电容(X电容)，一般发生在低频段，处理电源本身的电路设计之外还可以通过差模滤波来抑制差模传导骚扰。其次参数选择一般μF级，图10为电容值为1 μF、封装为1206的电容谐振图，在1～10 MHz能很好地抑制差模骚扰。

图10 封装为1206、电容值为1 μF的电容谐振

在文中采用3个X电容，可以很好地取得滤波效果。更改差模电容CX为4.7 μF，100 nF和3.3 nF，在频段0.158～0.202 MHz测试通过。测试结果如图11所示。

图11 更改差模电容CX后0.1～108 MHz频段测试结果

更改后电源线传导发射测试数据见表3。

4 PCB设计

PCB是电子产品最基本的部件，也是绝大部分电子元器件的载体[5]。良好的EMC设计的PCB必须要避免共模干扰电流流过产品内部电路，电源端口的滤波电路中需要很大的滤波共模电感或共模滤波电容，由于较大的共模电感存在较大的寄生电容，高频的传导噪声会经过寄生电容进行传递，使得单个共模电感不容易达到好的高频滤波效果，而对于EPS这种具有金属外壳的产品，金属外壳会把大部分由于电源开关产生的共模骚扰，传达到参考地板的金属壳之内，降低传导骚扰影响，所以在电源输入端口处增加Y电容。PCB设计时，将Y电容尽可能地靠近电源端口和共模电感附近，设计如图12所示。

图12 电源端口PCB设计

5 结束语

文中分析和研究了EPS电源线传导发射的超标问题的计算与整改，并在实验室中进行了测试与验证，发现稳定合适的滤波电路是EPS系统必不可少的一部分，按照上述EMC设计方法所设计的ECU至少能达到CISPR 25的Class3等级，符合国家标准，这对后续电子转向系统中ECU的功能设计和电磁兼容设计具有重大意义。