汽车仪表设计中降低电磁干扰的理论分析

ｌ　７－９　汽车仪表设计中降低电磁干扰的理论分析　。　６　，　Ｄ、ｚ　・　范　琼　（上海德科电子仪表有限公司）　０－２　【摘要】在对５Ｖ捷达电子转速表和温度报警器干扰来源仔细分析的基础上，介绍了改进措施、改进依据及　改进效果。　【叙词】　皇　缕　电磁兼容性避随着自动化技术和半导体器件的迅速发展，电　力电子技术和微电子技术迅速地向电气控制设备领　域渗透，逐渐形成电力与电子设备互相结合，强电与　弱电交叉工作的局面。因此，电磁干扰问题开始被从　事电气控制设备研究、设计、制造和使用的工程技术　人员重视起来。　对于我们设计汽车仪表同样如此，现代汽车仪　表运用了微处理器以及各种驱动Ｉｃ，因此，电磁环　境和电磁干扰问题日趋复杂。对如何抑制电磁干扰，　防止相互之间的有害影响，已成为汽车仪表能否可　靠指示的关键技术之一，也是我们仪表检测技术领　域亟待解决的课题，即电磁兼容性问题。所谓电磁兼　容性Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，简称ＥＭＣ，即　装置或者系统具有在其设置的预定场所投入实际运　行时，既不受周围电磁环境的影响，又不影响周围环　境，也不发生性能恶化和误动作，而能按设计要求正　常工作的能力。　对汽车仪表印刷线路板产生干扰的来源有三个　方面；　第一个问题是噪声出自集成电路的输入输出引　脚。原因是与它们连接的线路迹线所覆盖的区域形　成了一个巨大的天线，它们也同时连接内部和外部　电缆。出自集成电路内部时钟开关的噪声成为短时　脉冲波形干扰叠加在稳定的输出上。此干扰由输出　引脚的阻抗和时钟激励器产生，也就是那些提供电　源和接地的公用引脚。大多数装置的同步特性导致　瞬时的电流切换，产生一个巨大的噪声尖峰，其中包　含无线电频率能源。　第二个最重要的产生之源是动力系统，那些包　括有电压调节器和调节器与微芯片之间的旁路电容　器的系统。这些回路是系统中所有ＲＦ能源的产生　收稿日期：９８—０９一Ｏｇ　１９９８．１１　墼　墨芒曼　＿－　之源，当切换时的电流流过集成电路内部时钟回路　时产生。　第三噪声源是振荡回路。在基波之上，输出侧叠　加有高次谐波，同样，任何内部运行机构如时钟缓冲　器产生的噪声将出现在输出端，如果采取适当分离　措旖，使晶振和它的储能电路与印刷线路板上的其　它元件和线路迹线分离，并使回路面积减小，就不会　产生令我们关注的噪声源。　为达到电磁兼容目的，我们对影响汽车仪表指　示的噪声源及其电磁干扰发送量传递途径和衰减情　况作具体分析，并测试了汽车仪表对电磁干扰的敏　感度，在取得必要数据的基础上，选用行之有效且经　济的电磁干扰抑制措施。例如，对噪声源可以采用滤　波、阻尼、屏蔽、去耦等手段；对噪声传递途径可以采　用隔离、屏蔽、阻抗匹配、对称和平衡配线及电路去　耦等多种途径；对受扰设备可以采用提高信噪比，增　大开关时间，提高功率等级，实行电源和信号滤波等　多种方式。针对汽车仪表抑制噪声，在汽车仪表线路　板ＰＣＢ设计时，采用以下措旖；　（１）用电路和器件抑制电磁干扰。每个Ｉｃ必须　有一个旁路电容，直接连接Ｖｄｄ／Ｖｃｃ　『脚，而Ｖｅｅ　引脚直接用比较宽而短的连线接到Ｉｃ下的平面，采　用旁路电容用无损耗的电抗元件构成的滤波器能阻　止噪声。由集中参数或分布参数构成的网络，将不期　望的频率成份吸收掉，对抑制感性负载瞬变噪声有　很好的效果。电源输入端接入滤波电容后，能降低来　自电网的电磁干扰，而对仪表输入信号ｃｌａｓｓ２的输　入端与地连接一个齐纳二极管，防止信号瞬间的突　变，有效地阻止了信号受噪声的干扰。　（２）布线设计时，对装配密度很高的印刷线路板　应该注意降低电源线和地线的阻抗，对公共阻抗、串　・７‘　维普资讯 http://www.cqvip.com

扰和反射等引起的波形畸变和振荡现象采取必要的　措施。由于电源线和其它印制导线都有电感，当电源　电流变化很大时，产生压降。地线压降是形成公共阻　抗干扰的重要原因，所以要竭ｌ力缩短引线，减小其电　感值，尽量加粗电源线和地线线条。电源线与地线之　间要留出一定空间，以便安装高频特性好的去耦电　容器；设法缩小去耦电路的串联电阻和去耦电流的　环路，使电路工作稳定，构成与电磁兼容性要求相符　合的系统。　（３）好的接地对减少元件辐射很重要。地的结构　连线在布线时，必须包围连接口。每个从Ｉｃ出来的　信号到地线有最小循环返回。最好使用一个地，并且　实心连接在一起。连接地线时尽量从板上邻近的板　连接口到高速信号。妥善处理线路和设备的连接是　提高电子设备和系统抗干扰性能的有效手段。一个　完善的接地系统必须从线路板的最初设计阶段开始　直到它的布线过程中，对各个环节审慎从事才能完　成。　（４）器件、基板的选择。使用ｃ　ＭＯＳ低速器件　就不会出现辐射问题。然而，实际上仪表中ＣＰＵ的　主频是２ＭＨｚ。对于高频电路应考虑选用适宜的　ＬＳＩ，ＬＳＩ器件不但缩小装置和组件的体积，而且它　的内部面积小，能够减少电路辐射。因为尺寸过大会　加长印刷导线，增加阻抗．降低噪声容限，提高成本。　对于时钟发生器、晶振电路、ＣＰＵ的时钟输入端子　等易产生噪声的器件，应互相靠近些．而逻辑电路部　分又应该尽量离远一些，这样布置便于处理公共阻　抗耦合、辐射和串扰等问题。采用二层基板，由于二　层的电隔离度为５０ｄｂ左右，一面的开关电流对另一　面没有影响；一面与另一面采用过孔连接，而它们的　走线方向通常与两层表面的印刷导线的走线方向相　互垂直，构成微带线路，两个面之间又有很大静电电　容，形成阻抗极低的供电线路，所以两层线路板是真　正提高低抗噪声性能的结构器件。　除上述措施以外，在电子线路设计中，注意采用　平衡或地对称电路，往往能免除多种干扰，采用电位　隔离或空间隔离措施，对于电平相差悬殊的有关电　路是预防外界干扰的有效方法。　根据上述理论分析，我们对５Ｖ捷达组合仪表　的抗电磁干扰进行了改进。首先分析电子转速表。　转速表受无线电辐射干扰后，主要表现为转速　表指针来回摆动或指针下摆。转速表电路是一个整　・８・　形电路，经分析认为干扰信号主要干扰于转速表电　路以下几种部位时才产生上述现象。’　（１）信号处理电路的转速信号输入端：加接　０．１ｔｔＦ电容于线路板的信号输入端，加２２０ｐＦ电容　于集成电路的触发信号输入端（２号脚）。　（２）信号处理电路的稳压电源部分：加接ｌｎＦ　电容于稳压电源的偏置电流端（８号脚）；电源输入　端直接接一电感４７ｔｔＨ。　（３）直接干扰于指示部分——即动圈测量仪上：　加接ｌＯ，ｕＦ电容于动圈测量仅（和其线圈并联）。　（４）采用二层线路板，其中一层作为地，起到了　显著的屏蔽作用，对抗电磁干扰起到了很好的作用。　罔１、２分别为改进前、后的电原理图，　图１改进前的电原理图　苗　２改进后的电原理　其次，我们来分析温度报警器。　温度报警器是一个电压比较器电路。受无线电　辐射干扰后，报警指示灯非正常闪光。引起非正常报　警的受干扰点应是：比较器的二个输入端和报警指　示部分。　Ｅ海汽车　维普资讯 http://www.cqvip.com

根据上述情况，在比较器的一个比较端加接一　个电容器——２２０ｐＦ（另一端已有电容），在电路的　经过改进，大大提高了该仪表的抗干扰能力，测试结　果具体见下表　测试撷率　电场强度　被　件放　输出功事　改进前被礴　改进后被　ＨＺ　Ｖ　口　置位置　ｄＢ／ｍＷ　件工作状吝　件工作状态　输入端加接０．１ｕＦ的电容（相当于和温度传感器并　联）。另外在报警指示灯部分加接０．１“Ｆ电容一和　报警指示灯并联（见图３、图４）。　４．１　９　８　ＬＥⅡ　１　一１　６　—１６　１　１　—１７　状吝Ａ　状　Ａ　状卷Ａ　状态Ａ　状吝Ａ　状态Ａ　状态Ｂ　状态Ｂ　状态Ａ　状态Ａ　状态Ａ　状吝Ａ　状矗Ａ　状态Ａ　状态Ａ　状志Ａ　１２．５７　２５．１４　量　５０　１Ｏ０　恃　●　ｌ　１　】　２５　２００　图３改进前的电原理图　注；１被　件：５Ｖ捷达组台仪表　２位置ｌ：为　组音仪表　表针指示面对电场强度．　３状态Ａ：各种指什　指示灯在干扰时不晃动和正常工作．　４状态Ｂ：各种指什、指示灯在干扰时有晃动和异常点亮．当干扰击　掉恢复正常．　５．状卷ｃ；各斡指针、指示灯在干扰时功佬失曩．当干抗击掉嵌复正　｛｛ｒ．　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　５Ｖ　Ｊｅｔｔａ　ｅｌｅｃ—．　ｔｒｏｎ　ｓｐｅｅｄｏｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｔｅｒｎ—　ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｒｎｅｒ，ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｂａｓｉｓ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏ　图４改进后韵电原理图　ｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　‘９。