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汽车线束搭铁设计对电磁兼容的影响

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微 信公 众号:电磁兼容之家

第2366期


想要对汽车的线束搭铁设计会对电磁兼容产生的影响做一个简单的分析,首先要对汽车内的线束相关含义做一个简单的了解。随着科技的发展,汽车内的线路开始逐渐增多,错综复杂,交叉缠绕。为了让每一条线路都能够正常工作,每一条线路所连接的开关、电池、电子设备都能够正常运行,就需要一个能够连接线路上各元件的“指挥官”来进行统一的调配。而汽车上的线束就是这样的“指挥官”。倘若繁杂的电路以及各电器元件少了汽车线束的加持,那么线路的管理就会变得混乱不堪,更有甚者,会无法 正常工作。故而汽车线束是汽车上非常重要的,也是不可或缺的组成部分,应当引起足够的重视。


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 线束搭铁概述


在汽车内的所有线路,都需要通过正负极之间的正常电流运作来保证其工作的正常运转,而由于汽车内的线路较为繁杂,故而并不一定每一条线路都能够穿越重重阻碍,直接接到蓄电池的负极上,来保证它带动的电子设备能够通过正负极的正常运动来进行工作。但倘若线路无法接入蓄电池的负极,就无法进行正常的工作。故而在汽车内部线路设计之初,就已经将蓄电池的负极与车身相连,这样一来,车身就变成了一个极大的负极,不仅扩大了负极的接触面积,方便了所有线路的接地。而这种能够充当蓄电池功用,让所有线路通过接入车身而接地的方法,就是搭铁。这样看来,搭铁的确是汽车线路设计时有重要意义的一环,它解决了车内线路繁杂的困扰,为汽车电路接地提供了性的解决方式。


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 线束搭铁现阶段存在的问题


虽然线束搭铁的存在,解决了众多电路接地困难的问题,但这并不代表着目前的线束搭铁方式就是完美无缺的。事实上,由于电路的众多,零件的众多,电子仪器设备的众多,很多情况下,线束搭铁后的整个汽车电子电气体系中,还是会存在较强烈的信号干扰。然而由于汽车内本身电子电气走线的不易,导致设计师们以及有关的工作人员,将过多的精力花费在如何使得众多繁琐的线路能够在较为节省空间的情况下,接通相应设备之后,能够正常的进行工作,而无视了其有可能存在的电磁干扰问题。而在所有线路都安装完毕后,由于并不是每一次的汽车使用都会将所有的电子、电器设备统统打开,故而短时间内也无法对有关的电子、电器设备是否在同时运作时会产生电磁干扰问题做一个准确的判断。而当问题产生时,由于线路的繁杂,想要进行故障维修以及问题排查又显得相当困难。故而对于已经投入使用的汽车而言,想要对其中的各电子电气设备相互之间的信号干扰做一个精确的分析,是一件很困难的事情。换句话说,倘若在线束搭铁设计时,有关人员并未对电磁干扰的问题引起重视,那么到了汽车投入使用后,这个问题就会变得较为棘手,难以解决。 



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通过线束搭铁解决电磁干扰措施 


针对上文所说的电磁干扰问题,最好的解决方法,其实是在汽车投入使用之前,在进行线束搭铁设计时,就对各线路、设备仪器以及零件之间的电磁兼容问题引起重视。尽量避免在设计成型之后,会引起的电磁兼容问题,让整个线束搭铁设计,呈现出最佳的效果。


 1. 巧用屏蔽仪器 


由于车身空间有限,要让所有线束搭铁在有限的车身内进行较为科学合理的布局,其本身就是一件相对而言比较困难的事情。正是因为其本身相对而言较为困难,故而对于是在无法在合理安置线路进行合适位置线束搭铁的有关仪器设备而言,使用较为合适的屏蔽仪器来解决电磁干扰问题,也是一个不错的选择。譬如在汽车的发动点火系统线路的线束搭铁过程中,由于其很容易受其他高频电磁波的干扰,故而想要在其他的电子电气设备工作时,汽车的发动点火系统也能进行正常的工作,就可以使用效果较好的屏蔽仪器,让发动点火系统无法接收到其他的电子电气设备中的高频电磁波,这样一来,电磁干扰的问题就能够得到有效的解决。


 2. 进行合理的独立搭铁


在汽车内的各设备与线路,其重要等级是有区别的。对于重要等级较高,但在日常使用过程中,比较容易受到电磁干扰的设备来说,进行合理的独立搭铁是很有必要的。安全防护系统就是一个很好的例子。所有车辆都会有较为成熟的安全防护系统装置,这些装置的安装,能够在汽车投入使用,遇到突发 情况时,弹出安全气囊,防止轮胎抱死,必要情况下能够减轻车内人员的伤亡。故而相对于汽车内其他设备与线路相比,安全防护系统显然是汽车内优先级较高的一部分,故而对于安全防护系统的相关线路的安置应当引起格外的重视。由于其线路较容易受到其他电磁信号干扰的影响,为了避免这种影响发生在紧急情况发生时,导致安全气囊弹出不及时,引发更为严重的事故后果,应当为安全防护系统进行独立搭铁,确保其信号能够不受到任何其他线路的干扰,能够在汽车行驶过程中进行正常的工作。当然,优先级不那么高的,但却是整个汽车电子仪器设备组成中不可或缺的无线电系统,也应当进行独立的搭铁,原因很简单,无线电系统相对于其他系统而言,信号更弱,发生电磁兼容故障的概率也会大大提升。但如果对其进行独立的搭铁,那么就可以在一定程度上阻挡其他电磁信号对无线电信号的干预,只有如此,才能够使得无线电系统在汽车投入使用时,能够正常的工作。 


3. 合理布局搭铁位置 


由于汽车内的线路千头万绪,故而如何进行线束搭铁其实是很有讲究的。只有根据先验经验,对各仪器设备与系统的线束搭铁的位置进行合理的布局,才能够最大可能的规避掉电磁干扰。譬如无线传感器,无线传感器是对电流十分敏感的设备,故而十分容易受到外界的电磁干扰。为了防止无线传感器受到干扰,合理的安排其搭铁位置显得尤为重要。通常的做法,是将其就近搭铁,这样一来,就能够在最大限度少女感保证其在运行过程中不受其他电磁信号的影响。当然,除了无线传感器之外,其他类型的信号较弱的传感器也是同样的道理,只有就近进行搭铁,才能够最大程度的保证其无故障的运行。 



 

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结束语 


汽车内的线束搭铁设计会随着时代的发展有越来越高的要求,为了提高广大客户的驾驶体验,满足客户们在驾驶期间的广泛需求,有关汽车内部线束搭铁设计,要在所有仪器设备完全正常工作的同时,避免出现电磁信号干扰,使得各仪器设备间有较好的电磁兼容性。当然,这有一定的难度,但这并不是无法解决的。随着科学技术的进一步发展,或许有朝一日,有关汽车的线束搭铁设计中,电磁信号兼容的问题变得不再是问题。但在这之前,有关技术人员还是要正视这个问题,并且尽量采取措施与手段进行电磁兼容性改良与测试,以便客户有更好的驾驶体验。







来源:电磁兼容之家
电路电磁兼容汽车电子理论电气
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-09-01
最近编辑:13天前
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怎样理解电磁兼容EMC电路?

微 信 公 众号:电磁兼容之家 第2355期电磁兼容设计通常要运用各项控制技术,一般来说,越接近EMI源,实现EM控制所需的成本就越小。PCB上的集成电路芯片是EMI最主要的能量来源,因此,如果能够深入了解集成电路芯片的内部特征,可以简化PCB和系统级设计中的EMI控制。在考虑EMI控制时,设计工程师及PCB板级设计工程师首先应该考虑IC芯片的选择。集成电路的某些特征如封装类型、偏置电压和芯片的:工艺技术(例如CMoS、ECI、刀1)等都对电磁干:扰有很大的影响。下面将着重探讨IC对EMI控制的影响。 1.集成电路EMl来源PCB中集成电路EMI的来源主要有:数字集成电路从逻辑高到逻辑低之间转换或者从逻辑低到逻辑高之间转换过程中,输出端产生的方波信号频率导致的EMl2 信号电压和信号电流电场和磁场芯片自身的电容和电感等。集成电路芯片输出端产生的方波中包含频率范围宽广的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量构成工程师所关心的EMI频率成分。最高EMI频率也称为EMI发射带宽,它是信号上升时间(而不是信号频率)的函数。计算EMI发射带宽的公式为:f=0.35/Tr式中,厂是频率,单位是GHz;7r是信号上升时间或者下降时间,单位为ns。从、L:述么:式中可以看出,如果电路的开关频率为50MHz,而采用的集成电路芯片的上升时间是1ns,那么该电路的最高EMI发射频率将达到350MHz,远远大于该电路的开关频率。而如果汇的—上升时间为5肋Fs,那么该电路的最高EMI发射频率将高达700MHz。电路中的每一个电压值都对应一定的电流,同样每一个电流都存在对应的电压。当IC的输出在逻辑高到逻辑低或者逻辑低到逻辑高之间变换时,这些信号电压和信号电流就会产生电场和磁场,而这些电场和磁场的最高频率就是发射带宽。电场和磁场的强度以及对外辐射的百分比,不仅是信号上升时间的函数,同时也取决于对信号源到负载点之间信号通道上电容和电感的控制的好坏,因此,信号源位于PCB板的汇内部,而负载位于其他的IC内部,这些IC可能在PCB上,也可能不在该PCB上。为了有效地控制EMI,不仅需要关注汇;芭片自身的电容和电感,同样需要重视PCB上存在的电容和电感。 当信号电压与信号回路之间的锅合不紧密时,电路的电容就会减小,因而对电场的抑制作用就会减弱,从而使EMI增大;电路中的电流也存在同样的情况,如果电流同返回路径之间锅合不;佳,势必加大回路上的电感,从而增强了磁场,最终导致EMI增加。这充分说明,对电场控制不佳通常也会导致磁场抑制不佳。用来控制电路板中电磁场的措施与用来抑制IC封装中电磁场的措施大体相似。正如同PCB设计的情况,IC封装设计将极大地影响EMI。电路中相当一部分电磁辐射是由电源总线中的电压瞬变造成的。当汇的输出级发:跳变并驱动相连的PCB线为逻辑“高”时,汇芯片将从电源中吸纳电流,提供输出级月需的能量。对于IC不断转换所产生的超高频电流而言,电源总线姑子PCB上的去辊网络止于汇的输出级。如果输出级的信号上升时间为1.0ns,那么IC要在1.0ns这么短的时P内从电源上吸纳足够的电流来驱动PCB上的传输线。电源总线上电压的瞬变取决于电源j线路径上的申。感、吸纳的电流以及电流的传输时间。电压的瞬变由下面的公式所定义:式中,L是电流传输路径上电感的值;dj表示信号上升时间间隔内电流的变化;dz表示d流的传输时间(信号的上升时间)的变化。由于IC管脚以及内部电路都是电源总线的一部分,而且吸纳电流和输出信号的上于时间也在一定程度上取决于汇的工艺技术,因此选择合适的汇就可以在很大程度上控伟上述公式中提到的三个要素。封装特征在电磁干扰控制中的作用 IC封装通常包括硅基芯片、一个小型的内部PCB以及焊盘。硅基芯片安装在小型64PCB上,通过绑定线实现硅基芯片与焊盘之间的连接,在某些封装中也可以实现直接连接小型PCB实现硅基芯片上的信号和电源与汇封装上的对应管脚之间的连接,这样就实到了硅基芯片上信号和电源节点的对外延伸。因此,该汇的电源和信号的传输路径包括馅基芯片、与小型PCB之间的连线、PCB走线以及汇封装的输入和输出管脚。对电容和宅感(对应于电场和磁场)控制的好坏在很大程度上取决于整个传输路径设计的好坏,某些设计特征将直接影响整个IC芯片封装的电容和电感。先看硅基芯片与内部小电路板之间的连接方式。许多的汇芯片都采用绑定线来实颈硅基芯片与内部小电路板之间的连接,这是一种在硅基芯片与内部小电路板之间的极细6t电线。这种技术之所以应用广泛是因为硅基芯片和内部小电路板的热胀系数(CU)相近‘芯片本身是一种硅基器件,其热胀系数与典型的PCB材料(如环氧树脂)的热胀系数有相大的差别。如:果硅基芯片的电气连接点直接安装在内部小PCB上的话,那么在一段相对较短的时间之后,IC封装内部温度的变化导致热胀冷缩,这种方式的连接就会因为断裂而失效。绑定线是一种适应这种特殊环境的引线方式,它可以承受较大负荷的弯曲变形而不容易断裂。 采用绑定线的问题在于,每一个信号或者电源线的电流环路面积的增加将导致电感值升高。获得较低电感值的优良设计就是实现硅基芯片与内部PCB之间的直接连接,也就是说硅基芯片的连接点直接联结在PCB的焊盘上。这就要求选择使用一种特殊的PCB板基材料,这种材料应该具有极低的热膨胀系数。而选择这种材料将导致汇芯片整体成本的增加,因而采用这种工艺技术的芯片并不常见,但是只要这种将硅基芯片与载体PCB直接连接的IC存在:并且在设计方案中可行,那么采用这样的IC器件就是较好的选择。一般来说,在汇封装设计中,降低电感并且增大信号与对应回路之间或者电源与地之间电容是选择集成电路芯片过程的首要考虑因素。举例来说,小间距的表面贴装与大间距的表面贴装:工艺相比,应该优先考虑选择采用小间距的表面贴装工艺封装的汇芯片,而这两种类型的表面贴装工艺封装的IC芯片都优于过孔引线类型的封装。BGA封装的汇芯片同任何常用的封装类型相比具有最低的引线电感。从电容和电感控制的角度来看,小型的封装和更细的间距通常总是代表性能的提高。 引线结构设计的一个重要特征是管脚的分配。由于电感和电容值的大小都取决于信号或者是电源与返回路径之间的接近程度,因此要考虑足够多的返回路径。 电源管脚和地管脚应该成对分配,每一个电源管脚都应该有对应的地管脚相邻分布,而且在这种引线结构中应该分配多个电源管脚和地管脚对。这两方面的特征都将极大地降低电源和地之间的环路电感,有助于减少电源总线上的电压瞬变,从而降低EAdI。由于习惯上的原因,现在市场上的许多汇芯片并没有完全遵循上述设计规则,但IC设计和生产厂商都深刻理解这种设计方法的优点,因而在新的IC芯片设计和发布时IC厂商更关注电源的连接。理想情况下,需要为每一个信号管脚都分配一个相邻的信号返回管脚(如地管脚)。实际情况并非如此,众多的IC厂商是采用其他折中方法。在BGA封装中,一种行之有效的设计方法是在每组八个信号管脚的中心设置一个信号的返回管脚,在这种管脚排列方式下,每一个信号与信号返回路径之间仅相差一个管脚的距离。而对于四方扁平封装(QFP)或者其他鸥翼(gullw切g)型封装形式的IC来说,在信号组的中心放置一个信号的返回路径是不现实的,即便这样也必须保证每隔4到6个管脚就放置一个信号返回管脚。需要注意的是,不同的汇工艺技术可能采用不同的信号返回电压。有的IC使用地管脚(如TIL器件)作为信号的返回路径,而有的IC则使用电源管脚(如绝大多数的ECI‘器件)作为信号的返回路径,也有的IC同时使用电源管脚和地管脚(比如大多数的CMoS器件)作为信号的返回路径。因此设计工程师必须熟悉设计中使用的IC芯片逻辑系列,了解它们的相关工作情况。 IC芯片中电源和地管脚的合理分布不仅能够降低EMI,而且可以极大地改善地弹反射(ground boltnce)效果。当驱动传输线的器件试图将传输线下拉到逻辑低时,地弹反射却仍然维持该传输线在逻辑低闭值电平之上,地弹反射可能导致电路的失效或者出现故障。IC封装中另一个需要关注的重要问题是芯片内部的PCB设计,内部PCB通常也是IC封装中最大的组成部分,在内部PCB设计时如果能够实现电容和电感的严格控制,将极大地改善系统的整体EMI性能。如果这是一个两层的PCB板,至少要求PCB板的一面为连续的地平面层,PCB板的另一面是电源和信号的布线层。更理想的情况是四层的PCB板,中间的两层分别是电源和地平面层,外面的两层作为信号的布线层。由于汇封装内部的PCB通常都非常薄,四层板结构的设计将引出两个高电容、低电感的布线层,它特别适合于电源分配以及需要严格控制的进出该封装的输入输出信号。低阻抗的平面层可以极大地降低电源总线亡的电压瞬变,从而极大地改善EMI性能。这种受控的信号线不仅有利于降低EMI,同样对于确保进出汇的信号的完整性也起到重要的作用。来源:电磁兼容之家

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