瞬态骚扰对汽车的威胁及车辆电磁兼容基础

在汽车电气系统中，各种电动机及功率执行器件在工作时会在电路中产生能量不同、持续时间长短不一的瞬变脉冲电压，可能产生瞬变过电压，从而形成电磁干扰。这些不同形式的电磁干扰，可能会导致汽车部分电气系统的功能失常，甚至使得某些敏感的元器件永久失效。

现代汽车电气系统内存在大量的感性负载，如各种电动机、电磁阀、继电器、扬声器等，其线圈在开路瞬间，都会成为一种宽频谱、高能量的瞬变骚扰源。图5-65a所示为感性负载模拟等效电路，图中R是电感L的等效直流电阻；C_p是电路间的等效分布电容。当继电器触点K打开时，由于原负载上的电流I_L被突然中断，于是在电感两端产生反向瞬变电压u_L，其峰值可达到正常状态下的直流电压U_DC的几十倍，并向电路的等效分布电容C_p充电，形成串联振荡电路。这种瞬变过电压的变化与负载的性质、大小以及线路阻抗有关，一般以高幅值的负脉冲和随后的低幅值正脉冲（图5-65b）出现，其最高峰值可达-300V，持续时间达300ms。它不但具有浪涌性质，而且具有丰富的谐波，可能引起电子控制系统的逻辑错误，甚至导致部分敏感器件或固体组件的损坏。

图5-65 感应负载模拟等效电阻及电压变化情况

a）等效电路 b）瞬变反冲电压

在汽车使用的电子电气设备中，有许多导线、插接器、线圈及其他零件，它们具有不同的电容和电感，这些电容、电感一旦构成闭合回路，就构成了一个振荡回路。其中又分布着各种触点，如开关触点、继电器触点、换向器电动机的电刷与换向器之间的触点等。这些触点都是用来通断电流的，但在其开关瞬间，触点之间会产生程度不同的火花或电弧放电现象。电火花和电弧本身是一个高频电磁噪声的骚扰源，会向汽车自身的电子设备和汽车四周的空间发射电磁波，影响其他通信电子设备的正常工作。例如，汽车分电器的转子与旁电极之间，点火火花塞之间，发电机的电枢和换向器之间，调节器触点之间，转向闪光灯继电器、喇叭继电器，油压表、燃油表、冷却液温度传感器及线路之间插接器等工作时都会产生电火花电磁波，这些电磁波频率约为0.15～1000MHz，干扰的频带是很宽的。虽然这种触点间放电能量比火花塞电极放电能量小得多，但其持续时间短，因此，其放电瞬间的能量密度达到造成危害的程度。汽车中对无线电设备干扰最严重的部分是发动机点火系统，其次是电源系统和仪表系统等，而在新能源汽车，最严重的则是各种高开关器件，如电机逆变器、DC-DC转换器等。(www.xing528.com)

图5-66所示为串励式直流电动机的触点骚扰源的模地，这里的触点S指的是电刷与换向器之间的触点。电动机旋转时，此触点S不断地接触和断开，电动机绕组中的电流断续变化，从而产生瞬变电流和电压u_st。此瞬变电压u_st反作用于电源支路，在电源引线电感L_p和电容C_p上形成陡峭的高频振荡冲击电流i_Lp和电压u_Cp。此脉冲电压峰值可高达上千伏，该信号会衰减振荡，振荡频率约0.1～500MHz，初始脉冲的前沿只有几个纳秒。这种火花放电和高频振荡不但产生辐射干扰，同时可通过电源线或信号线对其他带电路产生传导干扰。

汽车在行驶时，车轮与地面的摩擦、车身与空气的摩擦、气流与气管壁的摩擦、机架与支承间的摩擦、乘员衣服与坐垫间的摩擦等，都可能形成静电干扰源。静电电量虽小，一般为1C以下，但静电电压很高，可高达上万伏。如此高的静电电压必然产生静电放电，其放电电流形成传导干扰，放电火花形成辐射干扰。静电放电之所以会产生瞬态骚扰，是因为放电电流具有很高的幅度和很短的上升沿，这样就会产生强度大、频谱宽的电磁场，对电子设备造成电磁干扰。静电的放电过程，既可能是正放电过程，也可能是负放电过程。放电电压U最高达1.5～2.5kV；放电时间t_s：接触放电为0.7～1ns，空气放电为0.7～5ns；放电电流很小，小到纳安级。静电放电的特点是：高电压，短时间，小电流。其干扰影响程度是巨大的，会使一些电子控制单元产生误动作，严重的会损坏电子单元，如使安全气囊电子引爆控制器产生误动作。静电放电产生的电磁能量会对车载电子系统中的CAN总线造成影响，是影响网络通信、损坏设备的主要原因之一。因此在设计CAN总线电路时，可以选择微型封装的CAN专用ESD保护元件，以对抗瞬态骚扰产生的破坏性电压突变脉冲，大大增强系统的可靠性。CAN总线专用的瞬态保护器件，如NXP PESD1CAN或安森美半导体的NUP2105L，均可满足8kV接触放电、16kV空气放电的瞬态抑制测试指标。以NXP半导体的芯片PESD1CAN为例，其典型应用电路如图5-67所示。

图5-67 瞬态保护器件在CAN总线中的典型应用电路