2.4 电磁兼容环境

汽车内部电子模块和负载众多，彼此一起工作构成了一个复杂的电子环境。同时汽车行驶的道路，往往会穿过电网、基站和其他辐射区域，驾驶人也可能在车上使用其他消费电子设备。因此对于每个电子模块来说，需要具有很强的电磁兼容能力才能满足汽车安全运行的需求。这里首先介绍3个概念：

电磁兼容性（EMC）：电子模块在其电磁环境中能正常工作且不能对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰能力。这也是通俗地表征一个电子模块各方面能力的概念。

电磁干扰（EMI）：分为传导干扰和辐射干扰两种。其中，传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合到另一个电网络；辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合到另一个电网络。

电磁敏感度（EMS）：指因电磁干扰而引起的设备或系统性能下降的程度。

汽车电子零部件的电磁兼容规范，一般可分为辐射骚扰、传导骚扰、传导骚扰抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、静电抗扰度5个方面，ISO等国际组织对每种类型的规范都做了详细的规定，见表2-6。

辐射骚扰（RE）考察汽车电子模块通过辐射途径对外造成的电磁骚扰特性。

传导骚扰（CE）考察汽车电子模块通过电源线/信号线的传播途径对外造成的电磁骚扰特性。

传导骚扰抗扰度（CS）通过电源线或信号线对汽车电子模块施加尖峰脉冲，来考察车载电子模块对车内电网或空间电磁环境的抗干扰能力。

射频电磁场辐射抗扰度（RS）考察汽车电子模块对环境的窄带辐射的抗干扰能力。

2.4.1 电池带来的传导干扰

电源线的传导干扰和信号线的传导干扰是传导抗扰度的两个重要方面。对电子模块来说，电源线上的扰动将直接对电源端的电路构成负荷。ISO 7637-2标准提出的4种脉冲波形实际上是综合了多方面的干扰来考核车载电子模块，可以将这些浪涌脉冲按照其特点分为：高速、低能量的脉冲，如脉冲2a、3a和3b；低速、高能量的脉冲，如脉冲2b；兼顾速度和能量两方面的中等速度和中等能量脉冲，如脉冲1；直流电压中断与直流电压跌落，如脉冲4。

1.浪涌脉冲1

该脉冲是模拟汽车上电感性负载（又称感性负载）电源断开连接时，其他电源端所产生的瞬态现象，这个脉冲将影响直接与这个电感性负载并联在一起的电子模块的工作，如图2-18所示。脉冲可能发生在关灯或按喇叭等操作过程中，因此脉冲1是所有的电子模块都必须考虑的一种脉冲，因为在切换任何一种电感性负载时都可能发生干扰。由ISO组织进行统计和优化出的标准的浪涌脉冲1，是内阻较大、电压较高、前沿较快和宽度较大的负脉冲。

这个脉冲发生在开关断开时，由于电感性负载需要维持原来的电流，因此会在并联的电源端产生一个幅度较大的负脉冲波形，如图2-19所示。

脉冲1的主要能量集中在2ms的主要时间段内，且脉冲的上升时间较快，属于中等速度和中等能量的脉冲干扰，对电子模块兼顾了功能干扰导致误动作和器件破坏两方面的作用。由于是负脉冲，一般的反接保护电路往往能对该电路进行直接的保护，双向的TVS或压敏电阻都可以吸收它的能量。福特公司的测试规范中引入了一种与脉冲1波形相似，但是脉冲幅度更大、持续时间更短的波形，即由快速的关断引起的波形，并且是由于线束电感引起的波形。

2.浪涌脉冲2

脉冲2可分为2a和2b两种不同的情况。前者主要考虑的是由于电感性负载的关断，由线束的寄生电感引起的浪涌电压干扰；后者主要考虑的是直流电动机的暂态干扰对模块电源的干扰。

（1）浪涌脉冲2a

该实验是模拟在线束电感的作用下，与模块并联的装置内电流突然中断引起的瞬态现象，如图2-20所示。电感需要维持本身的电压，就产生了一个幅度较高的正脉冲电压，考虑到线束的电感量较小，所以脉冲为幅度不高、前沿较快、宽度较小和内阻较小的正脉冲，如图2-21所示，比较特殊的是，这个脉冲存在于正常工作条件下，因此需要模块仍旧处于正常的工作状态。

脉冲2a的上升时间为1μs，持续时间为0.05ms，由于内阻较小（为2Ω），可产生的电流较大。它属于速度偏快和能量较小的脉冲干扰，对器件有一定的破坏作用。

（2）浪涌脉冲2b

该实验是模拟直流电动机充当发电机，并且在运行时点火开关断开时的瞬态现象，如图2-22所示。这个脉冲包括两部分：当点火开关断开时，由于线束寄生电感的作用，使得电源端的电压迅速跌落；当电压跌落完成以后，直流电动机开始产生发电机效应，这样，又产生了一个幅度较小且持续时间较长的正脉冲波形。总体而言，脉冲2b是一个电压不高、前沿较缓、宽度很大和内阻很小的脉冲。如图2-23所示，电压降低过程持续时间为1ms，无供电时约为1ms，而正脉冲幅度较低（只有10V），上升时间较慢（1ms），持续时间较长（为0.2～2s）。它属于低速和高能量的脉冲干扰，着重考核对设备（元器件）的破坏性。2b脉冲的这个作用与后面介绍的抛负载的5a脉冲波形后半部分有些相似，相比较而言，2b脉冲电压较低，持续时间更长。

3.浪涌脉冲3

该实验是模拟由开关过程引起的瞬态现象，分为负脉冲3a和正脉冲3b。在模块内部的继电器、固态开关和汽车本身开关闭合和关断的过程中，由于线束的分布电容和分布电感的影响，使得电源端会产生大量的浪涌脉冲，如图2-24所示。脉冲3是叠加在正常电压下的暂态浪涌，因此对于此脉冲来说，电子模块仍旧需要正常工作，这是一个比较特殊的地方，需要设计者注意。

如图2-25所示，线束的分布电容和电感的值通常都很小，持续时间为100μs，上升时间为5ns。它是一系列高速、低能量的小脉冲，常能引起电子模块内部的逻辑功能产生误动作。

4.浪涌脉冲4

该实验是模拟内燃机的起动机或打开大的负载电路通电时产生的电源电压的降低，不包括起动时的尖峰电压，如图2-26所示。当很大的负载通电时需要一个很大的电流，使得整个电池电压降低，这个过程是跌落电压至原有的一半、持续时间很长、达几秒至几十秒的跌落过程。电子模块在电压跌落过程中可能产生误动作，内部MCU有可能出现数据丢失和程序紊乱的情况。这种波形出现的现实情况是：在起动发动机时，特别是在寒冷天气、电池没有充满的情况下，机油变得非常黏稠，起动发动机需要提供更大的转矩。因此，起动过程中需要电池提供更大的电流，较大的电流负载会导致电源电压跌落的波形。

事实上ISO 7637-2和ISO 16750-2中有类似的波形设定，只是两者幅度不同，另外内部还有一段叠加的交流干扰。实际中往往需要同时考虑这两个波形，在实验中采取其中一种波形完成操作。某些时候，如带有强制记忆型的电子模块，就需要在这个过程中始终保持稳定。

如图2-27所示，从持续的时间来看，这是一个较长的过程，因此需要做好充分的计算和准备。

2.4.2 静电

在冬天低湿度的环境下，驾驶人身上穿的衣服较厚，若累积的静电电荷到一定程度，在其操控汽车的过程中与电子产品接触，就会通过电子产品到大地的阻抗进行放电，从而产生很大的脉冲电流。实际上静电可以由一系列的环节进行释放，如电子模块的运输与仓储、汽车生产线的装配、汽车维修、汽车操作等。静电放电是汽车电子产品的一个主要干扰源，会使汽车电子元器件被击穿而损坏，造成电子产品误动作或失效。

人们对于静电的设计防范开始于实验与标准，通过审视这些标准，能够更好地理解防止静电破坏的设计边界。汽车电子零部件和整车静电放电抗扰度测试标准有国际标准、地区性标准以及整车厂商自行制定的标准3类，见表2-7。实际上各个国家与地区采用汽车电磁兼容的标准是不一样的，如欧盟的汽车电磁兼容指令要求静电放电测试按照整车厂商的标准进行，北美地区采用SAE J1113-13或三大车厂自己的电磁兼容规范，日本采用日本车厂自己定义的电磁兼容规范，其他国家或地区则采用ISO 10605或以之为基础的国家标准。

ISO 10605在2008年进行了修订，已逐渐取代2001版本，各大厂商对应的静电标准也会随之变化。某种程度而言，新标准更加注重各个地区的标准统一，也方便进行设计。在新版本的标准中引入了IEC 610042的模型，有4组参数代表了放电模型。

1）电阻有两种不同的配置，表征着放电的导体：

R _O =2kΩ电阻的实验，代表人体直接通过皮肤放电，相对而言电阻较大，能量较小，是2001版中规定的唯一的人体模型，在2008版中作为一种情况进行考虑。

R _O =330Ω电阻的实验，代表人体通过金属部件如工具、钥匙和戒指等放电，选择这个电阻主要是针对车内或车外容易接触的一些电子模块进行操作。

2）电容有两种不同的配置，表征着人的位置：

C _O =150pF，表征人体在驾驶舱外的情况。

C _O =330pF，表征人体在驾驶舱内的情况。

事实上，新的标准对静电的能量比原有标准设计得更大，因为同等的内阻降低了。不同厂家在更新标准时可能对这一点有新的要求，因此对于汽车电子零部件设计工程师来说，需要按照这些标准来指导设计。还有一点需要注意的是，在原有直接放电的基础上，增加了间接放电的方式。

1）直接放电：在电子模块上直接静电释放，可分为接触放电和空气放电。

接触放电：静电直接通过表面接触对电子模块进行放电。

空气放电：靠近电子模块通过气隙对其放电，通常有电弧现象发生。

原则上，凡可以用接触放电的地方一律用接触放电。首先，因为接触放电的不确定因素比较少；与之相应的是，空气放电波形易受环境因素如温度、湿度和电压等的影响，静电枪接近校验靶速度的影响，电子模块表面的形状对电极场强分布的影响，这几个因素使得空气放电实验的重复性很差。其次，接触放电有极其陡峭的上升时间，因此放电电流波形中包含极其丰富的谐波成分，即使选择比较低的实验电压，也能取得比同等级电压较高的空气放电更加严格的测试结果。

2）间接放电：模拟人体在靠近被测设备上的物体时的放电，放电电流产生一个可以影响被测设备的瞬变场。对带电电子模块做间接放电实验时，采取对水平耦合板进行接触放电的方式来模拟，将接触放电施加在模块每一边实验点的水平耦合板上。

不同的放电方式推荐的测试等级也是不同的，可以通过表2-8来选择不同的测试等级。