汽車組件的EMI抗擾性測試

摘要：隨著車輛中電子組件的增多和車內(nèi)環(huán)境日益復(fù)雜，汽車廠商對組件測試的要求也越來越高。本文旨在通過介紹汽車電子組件EMI抗擾性測試的各種方法，并概括了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，幫助測試工程師正確選擇最佳的測試方法。

引言
一直以來，電磁干擾(EMI)效應(yīng)是現(xiàn)代電子控制系統(tǒng)中備受關(guān)注的一個問題。尤其在當(dāng)天的汽車產(chǎn)業(yè)中，車輛采用了一系列的車載電子模塊，例如引擎管理模塊、ABS系統(tǒng)、電子動力方向盤功能模塊、車載娛樂系統(tǒng)和熱控制模塊。

同時，車輛所處的電磁環(huán)境也更加復(fù)雜。車載電子組件必須與車載射頻發(fā)射機(jī)共存，這些發(fā)射機(jī)部分安裝和設(shè)置得比較恰當(dāng)，比如在救護(hù)車中，有些卻并非如此，例如一些出廠后安裝的CB發(fā)射器和車載行動電話。此外，車輛還可能進(jìn)入一些由于外部發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場區(qū)域，強(qiáng)度每米可達(dá)幾十甚至幾百伏特。在多年前汽車業(yè)就已意識到這些問題，所有著名廠商也都已采取一定措施，透過制定汽車測試標(biāo)準(zhǔn)和立法要求，力圖減少電磁干擾的影響。因此，今天的車輛對這種干擾都具備了較強(qiáng)的抵抗能力。但由于EMI對車載模塊的性能影響非常大，繼續(xù)對其保持警惕是有必要的。

車輛及其組件的測試是個高度專業(yè)的領(lǐng)域，一直以來是由廠商自己完成。在有些國家，許多車輛廠商會共同資助那些專業(yè)的測試實(shí)驗室。隨著車輛中使用的電子組件日益增多，汽車廠商將組件外包的趨勢也日趨明顯，因此，EMC測試開始逐漸變成組件廠商的責(zé)任。

在諸如ISO 11452(國際標(biāo)準(zhǔn)組織)和SAE J1113(汽車工程師協(xié)會)等汽車組件抗擾性測試國際標(biāo)準(zhǔn)的子章節(jié)中，都描述了頻率存在重疊的多種不同測試方法和測試等級。汽車組件測試在沒有任何更高的立法要求時，車輛廠商們就可以獨(dú)自在這些通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定其測試要求。

即當(dāng)某汽車廠商想為其組件供貨商制定組件等級的測試要求時，他可以從包含測試方法、測試頻率范圍和測試等級的清單上選擇合適的款項來構(gòu)成他自己的測試標(biāo)準(zhǔn)。這樣，一個為多家汽車廠商提供子組件的廠家就有可能必須根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的方法，在同一個頻率范圍內(nèi)測試同樣的組件。

組件廠商可以采用一系列針對ISO 11452和SAE J1113中包含的RF測試規(guī)格而設(shè)計汽車組件測試系統(tǒng)來幫助完成工作，以滿足客戶的測試需求。這些測試系統(tǒng)主要有自含(self-contained)系統(tǒng)，遵循所有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高等級測試規(guī)格。采用這樣的系統(tǒng)之后，組件廠商在對多個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試時，用到的許多測試儀器都是相同的，因而能節(jié)省大量資金。以下我們將討論幾種RF測試方法和汽車廠商測試需求中所規(guī)定的一些測試參數(shù)，并探討組件廠商如何才能根據(jù)不同客戶的測試需求搭建一個測試系統(tǒng)，達(dá)到只測試客戶需要的目的。

1. RF測試方法
要想測試一個汽車組件的RF抗擾性，必須透過一種與車內(nèi)干擾出現(xiàn)方式相當(dāng)?shù)姆绞较蚱涫┘覴F干擾。這就導(dǎo)入了第一個變量。汽車可能會暴露在一個外場中，或可能攜帶具有會產(chǎn)生干擾信號的發(fā)射機(jī)和天線，無論如何，干擾場都可以直接作用于組件所處的位置。例如，當(dāng)該組件安裝在開放式區(qū)域，比如，儀表盤上或附近，它所產(chǎn)生的干擾就比當(dāng)它被安裝在車輛底盤附近或是在引擎箱內(nèi)這樣的屏蔽區(qū)時造成的危害要大得多。

另一方面，為了供電和信號連接的需要，所有電子模塊都連到車輛的配線系統(tǒng)。而配線裝置相當(dāng)于一個有效的天線，能夠與RF干擾耦合，因此，不論組件安裝在什么地方，RF電流都可能透過其接插件傳導(dǎo)到組件中。我們通常采用的測試方法有兩組：輻射干擾測試和傳導(dǎo)干擾測試。

1.1 輻射干擾測試
所有的輻射測試法都向被測裝置施加一個強(qiáng)度得到校準(zhǔn)的RF場，這樣，就能將RF電流和電壓導(dǎo)入裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后這些RF電流和電壓又會出現(xiàn)在主動組件的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，因而在電子線路中造成干擾。不同方法在施加RF場的方式上有所不同。

1.1.1暗室中的輻射天線測量法
最簡單明了的產(chǎn)生RF場的方法就是向一個天線灌入能量，并將其指向被測設(shè)備(EUT)。天線能夠?qū)F能量轉(zhuǎn)化為一個輻射場，并使其充滿測試區(qū)域。由于需要在很寬的頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生高電平的RF信號，測試應(yīng)該在一個屏蔽室中進(jìn)行，避免與附近的其它合法無線電用戶相互干擾。但這會出現(xiàn)墻壁的反射，從而改變室內(nèi)的場分布。為解決這一問題，需要對屏蔽室的表面進(jìn)行處理，創(chuàng)造一個‘吸波室(absorber lined chamber)’環(huán)境，這又會大大增加測試設(shè)備的成本。測試使用的天線在被測頻率范圍內(nèi)應(yīng)該具有較寬的頻率響應(yīng)。車輛測試中的測試頻率可能從10kHz到18GHz，因此需要許多種不同的類型的天線。圖1是一種典型輻射裝置。

圖1 輻射干擾測試裝置

加在EUT上的場分布也要盡可能均勻，并且具有良好控制。測試時的場可能會影響屏蔽室的規(guī)格，因此天線不能離EUT太近，方向性也不能太強(qiáng)，避免產(chǎn)生的場只集中于EUT的某一個區(qū)域。天線和EUT距離過近還會導(dǎo)致二者互感增大，進(jìn)而影響了天線上所加信號的控制難度。被測對象的尺寸越大，這一要求就越難滿足。另外，根據(jù)公式P=(E*r)2/30W(當(dāng)天線具備單元增益時)，天線離EUT越遠(yuǎn)，達(dá)到某個場強(qiáng)時需要的功率就越大。

注意，該公式給出的是場強(qiáng)和距離的平方率關(guān)系，即當(dāng)某個特定距離上的場強(qiáng)從10V/m增大到20V/m時，需要的功率是原來的4倍，或者說當(dāng)場強(qiáng)從10V/m增大到20V/m時，在特定功率下，距離只有原來的四分之一。EUT位置處的場強(qiáng)透過一個各向同性的寬頻場感應(yīng)器來測量，各向同性是為了保證感應(yīng)器對方向不感應(yīng)，而寬頻則是確保它在不同頻率下均能得到正確的測量值。

1.1.2 TEM單元法
根據(jù)ISO 11452-3和SAE J1113/24中的規(guī)定，橫電磁波（TEM）單元只是一段傳輸線，在其一端饋入一定的RF功率，并在另一端接一個負(fù)載阻抗。隨著電磁波在傳輸線中的傳播，導(dǎo)體間就建立起一個電磁場。TEM描述的是在這類單元的作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的占主導(dǎo)地位的電磁場。當(dāng)傳輸線長度給定時，在一定的區(qū)域內(nèi)，場強(qiáng)均勻，且易測量或運(yùn)算。EUT就放置在作用區(qū)域內(nèi)。

TEM單元一般以箱體形式存在，里面有一個隔離面，所以箱體的墻面作為傳輸線的一端，隔離面(或稱隔膜，septum)作為另一端。TEM單元的幾何構(gòu)造對傳輸線的特性阻抗有決定性的影響。因為箱體是封閉的（除了很小的泄漏以外），單元外沒有電磁場，因此這種單元可以不加外屏蔽應(yīng)用于任何環(huán)境。

TEM單元的主要缺點(diǎn)是其存在頻率上限，這一上限頻率與其實(shí)體尺寸成反比(見表1)。當(dāng)頻率高于此上限時，其內(nèi)部電磁場的結(jié)構(gòu)中開始出現(xiàn)高次模，場的均勻性，尤其是確切尺寸決定的諧振頻率處的場均勻性，也開始變差。TEM單元能夠測量的最大EUT尺寸受其內(nèi)部可用的場強(qiáng)均勻區(qū)域體積的限制，因此最大EUT尺寸和該單元可測的最高頻率之間有著直接關(guān)系。TEM單元的最低測量頻率可到DC，這也是它與輻射天線測量法的不同之處。

表1 TEM單元法的頻率上限

1.1.3 帶狀線法和三平面法
這兩種方法與TEM單元法有本質(zhì)的區(qū)別。TEM單元法是一個封閉型測量方法，而帶狀線法和三平面法所采用的測試裝置則是開放式傳輸線。也就是說，在采用這兩種方法時，最大場雖然位于平面之間，但仍有能量輻射到外部，因此必須在一間屏蔽室內(nèi)進(jìn)行測試。ISO 11452-5和SAE J1113/23中都對帶狀線測試有所描述，而三平面測試只在SAE J1113/25中提到。

在帶狀線測試中，被測組件模塊只暴露連接它與相關(guān)設(shè)備的電纜裝置，并不暴露在平面間的最大場強(qiáng)。帶狀線平面作為傳輸線的源導(dǎo)體，其下放置1.5m長的電纜裝置，測試的參考地平面則作為另一端導(dǎo)體。帶狀線產(chǎn)生的場會在電纜裝置中感應(yīng)出縱向電流，然后進(jìn)入EUT耦合。因此，帶狀線測試幾乎算是輻射場測試和傳導(dǎo)測試這兩種方法的混合。

三平面測試裝置中，一個主動內(nèi)導(dǎo)體夾在兩個外平面中間，產(chǎn)生可通過運(yùn)算得到的阻抗。被測模塊放置于一個外平面和中心導(dǎo)體之間，中心導(dǎo)體的另一面是置空。由于整個測試的結(jié)構(gòu)是對稱的，因此可在這一面與EUT呈鏡像位置的地方放置一個場強(qiáng)探針。

和TEM單元測試一樣，帶狀線測試和三平面測試裝置均有一個受其尺寸限制的頻率上限。在等于或高于由該尺寸決定的諧振頻率時，就會產(chǎn)生不受控制的電磁場高次模。這三種方法相對于輻射天線法的優(yōu)勢就在于，采用這三種方法時，只需要適當(dāng)?shù)墓β示湍軌虍a(chǎn)生比輻射天線法大得多的場強(qiáng)，因為場強(qiáng)等于導(dǎo)體平面之間的電壓除以它們之間的距離。

1.2 傳導(dǎo)干擾測試
第二類測試方法叫做傳導(dǎo)干擾測試，是直接將RF干擾施加在電纜裝置中，取代了在被測模塊放置之處施加電磁場。隨著RF電流在電路結(jié)構(gòu)(例如一塊印刷電路板PCB)中傳輸，組件模塊與外部裝置的連接處就會產(chǎn)生一個電流，在電子線路中造成干擾。盡管這種方法與輻射場測試法得出的結(jié)果類似，但二者之間沒有任何等同之處，因此這兩種方法常用于進(jìn)行完整測試，有時兩種測試的頻率范圍還有重疊。

傳導(dǎo)干擾測試最常采用的兩種耦合方法，一是需要注入一個可控制其大小的干擾電流的電流注入法(bulk current injection，BCI)，二是注入一個可控制其大小的功率的直接注入法。

1.2.1 電流注入法(BCI)
采用BCI法時，將一個電流注入探針放在連接被測件的電纜裝置之上，然后向該探針加入RF干擾。此時，探針作為第一電流變換器，而電纜裝置作為第二電流變換器，因此，RF電流先在電纜裝置中以共模方式流過，即電流在裝置的所有導(dǎo)體上以同樣的方式流通，然后再進(jìn)入EUT的連接端口。

真正流過的電流由電流注入處裝置的共模阻抗決定，在低頻的情況下，這幾乎完全由EUT和電纜裝置另一端所連接的相關(guān)設(shè)備對地的阻抗決定。一旦電纜長度達(dá)到四分之一波長，阻抗的變化就十分重要，并且會降低測試的可重復(fù)性。

圖2 電流注入法測試裝置

電流注入探針會帶來損耗，因而需要較大的驅(qū)動能力才能在EUT上設(shè)立起合理的干擾源。盡管如此，BCI法還是有一個很大的優(yōu)點(diǎn)，那就是其非侵入性，因為探針可以簡單地夾在任何直徑不超過其最大可接受直徑的電纜上，而不需進(jìn)行任何直接的電纜導(dǎo)體連接，也不會影響電纜所連接的工作電路。

1.2.2 直接注入法
BCI法對驅(qū)動能力要求過高，而且在測試過程中與相關(guān)設(shè)備的隔離也不好，直接注入法的目的就是克服BCI法的這兩個缺點(diǎn)。具體做法是將測試設(shè)備直接連接到EUT電纜上，透過一個寬頻人工網(wǎng)絡(luò)(Broadband Artificial Network，BAN)將RF功率注入EUT電纜，而不干擾EUT與其感應(yīng)器和負(fù)載的接口(見圖3)。

圖3 干擾直接注入法測試裝置

該BAN在測試頻率范圍內(nèi)RF阻抗可以控制。BAN在流向輔助設(shè)備的方向至少能夠提供500W的阻塞阻抗。干擾信號通過一個隔直電容器，直接耦合到被測線上。該方法在ISO 11452-7和SAE J1113/3中都有描述。

2. EMI測試的測試參數(shù)
在車輛組件的EMI測試中，根據(jù)不同車輛廠商所提出的不同要求，除了導(dǎo)入干擾信號的基本方法有所不同以外，還有許多參數(shù)也會有所不同。但不論RF干擾怎樣產(chǎn)生，這些參數(shù)都是相關(guān)的。

2.1頻率范圍
受測試方法本身及其所用變換器(transducer)的限制，上述的任一種方法都只適用于一個已定的頻率范圍。表2列出了本文中討論的各種方法在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中公布的適用頻率范圍。

表2 不同測試方法在不同標(biāo)準(zhǔn)中的適用頻率范圍

測試過程中，通常需要使測試信號在整個頻率范圍內(nèi)掃描變化或步進(jìn)變化，測試的速度是很重要，因為EUT必須對每個測試頻率都有相應(yīng)的反映。測試的最小滯留時間一般為2秒，如果EUT的時間常數(shù)較大，滯留時間可能更長。如果采用軟件控制的測試信號發(fā)生器，那通常是采用步進(jìn)方式，而不是掃描過整個頻率范圍，因此還要定義頻率步進(jìn)的步長。滯留時間和頻率步長二者共同決定了執(zhí)行單次掃描所需花費(fèi)的時間，因而也決定了整個測試所需的時間。

2.2幅度控制
不論采用哪種測試方法，對施加在EUT上的測試信號幅度都必須小心控制。幅度控制的方法按照原理不同通?？煞譃閮深?，一類叫閉環(huán)控制法，一類叫開環(huán)控制法。在帶狀線測試和TEM單元測試時，可以通過已知的凈輸入功率和傳輸線的參數(shù)來運(yùn)算得到施加的場。除了這兩種方法以外，都需要利用閉環(huán)法來實(shí)現(xiàn)幅度控制。在輻射干擾測試中，干擾信號的單位采用伏特/米(volts/meter)，在電流注入測試中，單位采用微安(milliamps)，在直接功率注入測試中，單位采用瓦特(watts)。

2.3閉環(huán)法
采用閉環(huán)控制法時，一個場強(qiáng)儀或電流監(jiān)控探針一直監(jiān)測著施加在EUT上的激勵，據(jù)此將功率調(diào)整到目標(biāo)值。該方法有一個弊端，在微波暗室中進(jìn)行輻射干擾測試時這一問題尤其明顯。那就是EUT的介入打亂了干擾激勵的電磁場，從而找不到一個能夠正確反映出得到的場強(qiáng)，并對所有類型EUT普遍適用的位置來放置場強(qiáng)儀。當(dāng)測試頻率使得EUT尺寸與波長可以相比擬時，在某些位置上場的分布可能會出現(xiàn)大幅下降。如果場強(qiáng)儀剛好放置在這一位置上，那么據(jù)此場強(qiáng)儀的讀數(shù)來維持需要的電磁場強(qiáng)度時，勢必會在EUT附近的位置上造成嚴(yán)重的過測(over-testing)。

BCI測試中也存在類似問題，當(dāng)EUT的共模輸入阻抗與測試信號諧振時，要維持需要的電流就會造成過測(over-testing)。實(shí)際上，在這樣的環(huán)境下，許多時候放大器都無法提供維持規(guī)定電平所需的功率，而一旦放大器過載，還會造成更多的測試問題。

2.4開環(huán)法
采用開環(huán)法（也叫做置換法）就能避開上述問題。采用開環(huán)法時，首先將一個既定強(qiáng)度的信號送入測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置。在每個頻率上，放大器的輸出功率都受一個輔助功率計的監(jiān)控，當(dāng)放大器輸出電平達(dá)到目標(biāo)值時，對其進(jìn)行記錄。最后，在真實(shí)測試時，再將這個預(yù)校準(zhǔn)的功率記錄進(jìn)行的重放?？偟膩碚f，由于對施加在EUT上的場或電流(volts per meter或milliamps)的測量并不在測試的要求內(nèi)，因此開環(huán)法并不測量它們，只是對其進(jìn)行監(jiān)控，以確認(rèn)系統(tǒng)工作正常。但由于上節(jié)所談到的原因，我們也不可能看到真正正確的測量值。

在輻射干擾測試中，校準(zhǔn)設(shè)置過程要求在EUT于微波暗室中將一臺場強(qiáng)儀放置在一準(zhǔn)確位置上。而在傳導(dǎo)干擾測試中，校準(zhǔn)設(shè)備是一個具有特定阻抗值的負(fù)載，我們在其兩端測量輸出功率或電流。

開環(huán)法所用到的功率參數(shù)包括凈功率，或者輸入變換器的前向功率和變換器反射回來的反向功率之差。假設(shè)在沒有其它重大損耗時，這個差值就等于實(shí)際送入EUT的功率。因此，在采用定向耦合器時，必須在每個頻率上測量兩個功率。這時，可以利用一臺功率計分別對耦合器的前向輸出和反向輸出順序測量，也可以利用兩臺功率計同時測量。

凈功率用于說明變換器的電壓駐波比(VSWR)，當(dāng)導(dǎo)入EUT時VSWR會發(fā)生變化。但當(dāng)EUT與測試裝置匹配時，要保持凈功率所需的前向功率相對于校準(zhǔn)所需的功率可能有較大變化。為避免過測，保持所需凈功率而增大的前向功率不能超過2dB，即使2dB還不能滿足要求，也不應(yīng)繼續(xù)增大，而只能將此記錄在測試報告中。

2.5調(diào)制頻率和調(diào)制深度
所有的RF抗擾性測試都需要在每個頻率上對EUT施加CW(未調(diào)連續(xù)波)和已調(diào)AM信號，而EUT的響應(yīng)通常更易受被調(diào)干擾影響。一般情況下，測試標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的調(diào)變信號都是調(diào)制深度為80%，頻率為1kHz的正弦波。但也有個別的車輛廠商可能會有不同的要求。定義調(diào)制參數(shù)的目的是為AM和CW測試規(guī)定一個恒定的峰值電平。這一點(diǎn)與商用(IEC 61000-4系列)RF抗擾性測試不同。在商用RF抗擾性測試中，調(diào)制信號的峰值功率比未調(diào)信號高5.3dB。而在峰值電平恒定的測試中調(diào)制深度為80%的已調(diào)信號功率只有未調(diào)信號功率的0.407倍。

ISO 11452中清楚地定義了這種信號的施加過程：
1.在每一頻率上，線性或?qū)?shù)增大信號強(qiáng)度直到信號強(qiáng)度達(dá)到測試要求(對開環(huán)法指凈功率滿足要求，對閉環(huán)法則指測試信號的電平滿足要求)，根據(jù)+2dB標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測前向功率；
2.按要求施加已調(diào)信號，并使測試信號保持時間等于EUT最小響應(yīng)時間；
3.在進(jìn)行下一個頻率的測試前，應(yīng)緩慢降低測試信號強(qiáng)度。

2.6監(jiān)測EUT
在施加干擾信號時，必須監(jiān)測EUT的響應(yīng)，并與其應(yīng)達(dá)到的性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以確定被測件是否通過測試。由于每個EUT有不同的功能和滿足的性能標(biāo)準(zhǔn)也不相同，因此在此不可能對這些監(jiān)控方法進(jìn)行概括。但如果測試軟件能夠自動完成部份或全部監(jiān)測工作，那么整個測試就會更簡單、更可靠。在這過程中可能只需簡單地測量和記錄每個頻率點(diǎn)上的輸出電壓，也可能涉及一些能夠在測試發(fā)現(xiàn)錯誤時給出標(biāo)記的特殊EUT軟件。

2.7報告測試結(jié)果
在測試完成，EUT的響應(yīng)也觀測完畢后，測試工程師的工作還只完成了一半。工程師們還必須按照車輛廠商所規(guī)定的格式制作測試報告。一個組件廠商可能為多個車輛廠商提供產(chǎn)品，因此對同一組測試結(jié)果，組件廠商可能需要提交多種格式的測試報告。

有些軟件包中包含可選的報告生成模塊，能夠為不同的車輛廠商定制的各自標(biāo)準(zhǔn)報告模板。所有測試實(shí)驗室的經(jīng)理都清楚為為客戶提供測試報告是一項最困難的任務(wù)，盡管大家都很享受測試過程，卻很少有人喜歡撰寫測試報告。有了自動報告生成軟件模塊，不但測試工程師們免去了負(fù)責(zé)撰寫測試報告的苦差，同時也能更快實(shí)現(xiàn)滿足客戶的要求。

雖然汽車產(chǎn)業(yè)中的組件EMC測試中含有許多可變參數(shù)，但仍可以高效地完成針對不同車輛廠商的覆蓋很寬頻率范圍的測試。