汽車電子風(fēng)扇電機(jī)控制電路與主電路電磁兼容分析與優(yōu)化

隨著電動(dòng)汽車以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，大量電子電氣設(shè)備的使用對(duì)電磁兼容（EMC）提出了日趨嚴(yán)苛的要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的EMC問(wèn)題變得越來(lái)越重要。該文對(duì)主電路分單純鋪銅、增加鐵質(zhì)連接片以及增加鐵質(zhì)連接片與銅質(zhì)導(dǎo)線三種情況分別建立有限元模型，計(jì)算得到了表面電場(chǎng)強(qiáng)度，分析了電場(chǎng)分布趨勢(shì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量風(fēng)扇電機(jī)控制電路和主電路的電磁場(chǎng)分布。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明仿真結(jié)果的正確性，進(jìn)而分析局部電場(chǎng)強(qiáng)度集中的原因，給出改進(jìn)措施。對(duì)控制電路主芯片連接MOSFET柵極的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)完整性分析，仿真計(jì)算得到了線路眼圖，通過(guò)調(diào)整終端電阻，改善了眼圖的眼高和眼寬，有效地提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

通過(guò)主電路的有限元分析和控制電路的信號(hào)完整性仿真，精確地研究了電場(chǎng)強(qiáng)度和線路眼圖，相比傳統(tǒng)的定性分析方法，給出了更加準(zhǔn)確的電子電路改進(jìn)措施。

近年來(lái)，我國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展迅速。汽車設(shè)計(jì)、制造的整體水平有了大幅度的提高。與此同時(shí)，用戶對(duì)汽車安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適等方面的需求也不斷提高，因此車載電氣電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，國(guó)內(nèi)緊湊型轎車的電子零部件成本約占整車的25%，豪華品牌轎車的比例則高達(dá)40%，而且這些電子產(chǎn)品的種類和數(shù)量還在不斷增加，同時(shí)它們的工作頻率及功率也逐漸增大。

隨著電動(dòng)汽車以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，汽車中電氣電子設(shè)備進(jìn)一步高度集成，產(chǎn)品功能日趨復(fù)雜，需要在有限的空間中放置更多的電氣電子產(chǎn)品，所以電子產(chǎn)品間的電磁環(huán)境變得更加惡劣，對(duì)汽車中電子產(chǎn)品的電磁兼容提出了更嚴(yán)苛的要求。比較突出的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）問(wèn)題甚至?xí)鹌嚨母鞣N故障，如指示燈誤操作，安全氣囊不能及時(shí)彈出等。

2018年5月23日，在因特爾所屬自動(dòng)駕駛技術(shù)公司Mobileye所在地的新聞發(fā)布會(huì)上，一輛自動(dòng)駕駛汽車徑直闖過(guò)了紅燈，并沒(méi)有任何剎車的跡象，其原因是電視臺(tái)工作人員在車內(nèi)安裝的攝像頭的無(wú)線信號(hào)傳送器發(fā)出電磁干擾，對(duì)交通信號(hào)燈內(nèi)轉(zhuǎn)調(diào)器的正常工作造成影響。雖然沒(méi)有造成人員傷亡，但這次事故暴露出了電磁兼容問(wèn)題的嚴(yán)重性。如何有效地解決汽車中設(shè)備級(jí)電磁兼容問(wèn)題，是當(dāng)前研究工作的重中之重。

對(duì)于電磁兼容問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]主要通過(guò)濾波和屏蔽，在傳播路徑上抑制電磁輻射；文獻(xiàn)[8]主要對(duì)印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）上的線路進(jìn)行合理布局，通過(guò)減小電流環(huán)路面積來(lái)減少電磁輻射。在現(xiàn)代電氣電子設(shè)備中，信號(hào)頻率的不斷增加和開關(guān)管高速動(dòng)作都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾。

與此同時(shí)，由于電流的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致在印制板鋪銅邊緣電流密度過(guò)大，引起局部近電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，如此一來(lái)，勢(shì)必會(huì)引起遠(yuǎn)場(chǎng)輻射能力的增強(qiáng)，使其他敏感元器件受到強(qiáng)烈的電磁干擾，因此減少局部電場(chǎng)強(qiáng)度是電磁兼容中重要的一項(xiàng)。

信號(hào)完整性（Signal Integrity, SI）是指電路信號(hào)能夠在不影響系統(tǒng)其他信號(hào)質(zhì)量的前提下，通過(guò)一段傳輸路徑后到達(dá)接收端口時(shí)波形的完整程度。當(dāng)電路上的信號(hào)可以按要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅值從發(fā)射端到達(dá)接收端，就說(shuō)明本電路具有良好的信號(hào)完整性。

電路的信號(hào)完整性受多種因素共同影響，一般是由于信號(hào)的邊沿過(guò)于陡峭、阻抗不匹配以及臨近線路對(duì)它的電磁干擾。如果在進(jìn)行信號(hào)完整性分析時(shí)對(duì)電路板上的每一個(gè)信號(hào)網(wǎng)路進(jìn)行分析，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生大量人力和資源的消耗，可行性較低，所以在實(shí)際的信號(hào)完整性分析時(shí)，通常會(huì)將系統(tǒng)中的信號(hào)進(jìn)行劃分，計(jì)算信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵信號(hào)，以達(dá)到節(jié)省計(jì)算時(shí)間和資源的目的。

對(duì)于信號(hào)完整性的分析，文獻(xiàn)[14]采用S參數(shù)分析信號(hào)線路在不同頻率下阻抗的變化方法，而眼圖是一種在固定工作頻率下分析信號(hào)質(zhì)量的方法。相比而言，眼圖可以直觀反映出信號(hào)網(wǎng)絡(luò)在工作頻率中的系統(tǒng)噪聲、時(shí)間抖動(dòng)和過(guò)沖等現(xiàn)象。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，一般通過(guò)散熱器風(fēng)扇提高水箱周圍風(fēng)速的辦法，提高散熱器的冷卻效率。散熱風(fēng)扇的發(fā)展歷經(jīng)了三個(gè)階段：①發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，這種方式效率低下，且會(huì)增加油耗；②電磁離合器控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，一般有兩檔或三擋，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度跟駕駛環(huán)境和駕駛習(xí)慣有很大關(guān)系，離合器需要頻繁換擋、容易損壞，且效率的提高和油耗的減少并不十分明顯；③電子風(fēng)扇階段，由車輛電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，可根據(jù)水箱溫度實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速、效率高、能耗低、壽命長(zhǎng)。

本文通過(guò)對(duì)汽車電子風(fēng)扇電機(jī)控制電路與主電路的電磁兼容進(jìn)行分析和優(yōu)化，提高了該電路在復(fù)雜電磁環(huán)境中的抗干擾能力并降低了該電路對(duì)外的輻射發(fā)射。

汽車?yán)鋮s裝置原理

實(shí)物圖及局部放大

結(jié)論

本文對(duì)部分主電路分三種情況單獨(dú)建立了有限元模型，計(jì)算得到了表面電場(chǎng)強(qiáng)度，分析了電場(chǎng)分布趨勢(shì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的正確性。計(jì)算結(jié)果證明，MOS管通斷瞬間會(huì)有很高的高頻分量， 90°直角的出現(xiàn)導(dǎo)致信號(hào)在直角處的輻射最強(qiáng)，對(duì)周圍電路造成嚴(yán)重電磁干擾，建議在大功率電路中，即使工作頻率較低，也應(yīng)該避免出現(xiàn)90°直角。

信號(hào)完整性分析表明，通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)，可以明顯改善驅(qū)動(dòng)信號(hào)的眼圖。相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式定性分析方法，數(shù)值仿真技術(shù)可以給出更加準(zhǔn)確的電子電路改進(jìn)措施，進(jìn)而提升PCB的可靠性減少故障率。