汽车电子EMC电磁兼容の重要性
第2190期关键词：汽车电子，EMC, TAM, 高导热，吸波, 屏蔽导语： 随着电子设备的性能和功能的提高，每个设备产生的热量增加，有效地散发，消散和冷却热量很重要。对于5G智能手机和AR/VR设备等高性能移动产品，由于采用高性能IC和追求减轻重量的高度集成设计，导致散热部件的安装空间受到限制。限制了壳体内部的安装空间，因此利用高导热垫片等TIM技术方案来更好地实现散热。5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起了这些部位电子零部件发热量的急剧增加，当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域的散热材料、吸波、屏蔽材料的需求也在增加。 随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场、机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接和间接的伤害。 汽车工业的快速发展和汽车市场的激烈竞争极大地促进了各类电气、电子和信息设备在汽车上的广泛应用，对于今天的汽车产业，应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的重要标志之一。电子设备广泛应用于汽车发动机控制系统、自动变速系统、制动系统、调节系统以及行驶系统中，对汽车的安全性、可靠性、舒适性起着决定性作用。EMC汽车电磁兼容一什么是汽车电磁兼容EMC？电磁兼容，Electro Magnetic Compatibility，简称为EMC，是指车辆或零部件在其电磁环境中可以令人满意的工作，对在同一环境中工作的其他用电设备不造成干扰。EMC包括两个方面的要求：电磁骚扰（EMI）：指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁骚扰不能超过一定的限值；电磁敏感度（EMS）：指设备对所在环境中存在的电磁骚扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。二汽车电磁干扰源分类汽车电子的干扰机改进 汽车电子设备工作在行驶环境不断变化的汽车上，环境中电磁能量构成的复杂性和多变性，意味着系统所受到的电磁干扰来源比较广泛。按照电磁干扰的来源分类，可分为车外电磁干扰、车体静电干扰和车内电磁干扰。车外电磁干扰：车外电磁干扰是汽车行驶中经历各种外部电磁环境时所受的干扰。这类干扰存在于特定的空间或是特定的时间。如高压输电线、高压变电站和大功率无线电发射站的电磁干扰，以及雷电、太阳黑子辐射电磁干扰等等[2]。环境中其它临近的电子设备工作时也会产生干扰，例如行驶中相距较近的汽车。车体静电干扰：车体静电干扰与汽车和外部环境都有关。由于汽车行驶时车体与空气高速摩擦，在车体上形成不均匀分布的静电。静电放电会在车体上形成干扰电流，同时产生高频辐射，对汽车电子设备形成电磁干扰。车内电磁干扰：车内电磁干扰是汽车电子设备工作时内部的相互干扰，包括电子元器件产生的电子噪声，电机运行中换向电刷产生的电磁干扰以及各种开关工作时的放电干扰，最严重的是汽车点火系统产生的高频辐射，其干扰能量最大。三为什么要关注汽车电磁兼容EMC?曾经我们以为汽车最怕电磁干扰的是收音机，最大可能释放电磁干扰的部件是发动机。但随着汽车的各种功能的发展，汽车电子元件越来越多，现在一辆高端的乘用轿车全车电子元件甚至可以达到200个，因此汽车受电磁干扰的影响也越来越大，产生的电磁干扰也越来越强。于是汽车的电磁兼容从此被当作了非常重要的评价标准。并且随着汽车电气化智能化的需求越来越高，电磁兼容已经成为汽车尤其是新能源汽车设计生产不可回避的关键问题之一：新能源汽车使用电驱动系统驱动车辆，在车辆充电和放电过程中，大功率半导体开关器件动作会引起高电压、大电流的突变，从而发出强烈的电磁干扰。如果电磁辐射过大，就有可能引起自身或周围电子设备的功能失效或误动作，甚至烧毁或击穿元器件，对我们的日常生活和车辆的安全行驶造成严重影响；同样如果车辆自身的抗干扰不足，车辆在行驶过程中也会存在极大的安全隐患。四提高电子设备电磁兼容EMC的性能汽车电子设备的电磁兼容性能包括两方面，一是电磁发射，衡量系统产生的电磁干扰的发射水平；二是电磁敏感度，衡量系统在工作时为实现预期技术指标而需要的抵抗电磁干扰的能力。根据前面的分析，要综合提高汽车电子设备的电磁性能，可以从三方面考虑，一是减小设备发射电磁干扰的强度；二是抑制电磁干扰的传输；三是降低设备电磁敏感部件接收干扰的强度。减小设备的电磁干扰强度：优化设备的电气结构：汽车电子设备中闪光器是继电器触点结构，可以在触点前加电弧抑制器；电机为感性负载，可通过内部滤波电路降低电流噪声；各种电控单元的印刷电路板，要优化布线，降低电磁发射水平。选用合适的电子元器件：汽车上的各种控制单元，采用较低频的芯片有利于减少辐射干扰。降低设备的功率：在满足功能需求的情况下，降低设备的功率，可以减小干扰电压和电流，从而减小干扰强度。抑制干扰的传输：屏蔽干扰源设备和相关线束：汽车中主要的电控系统使用的电控单元，应该采用屏蔽壳体封装。增加线束滤波：对较长的线束，为减小传导和辐射干扰，应在线束上增加滤波，比较方便的是套接合适的铁氧体磁环。合理规划线束：线束布置上使小功率敏感电路紧靠信号源，大功率干扰电路紧靠负载，尽可能分开小功率电路和大功率电路，减小线束间的感应干扰和辐射干扰。改进设备的接地：良好的接地布置和改进的地线搭接可以降低高频阻抗。汽车电子设备接地主要是就近接到车体以及线束屏蔽层接地。降低设备接收干扰的强度：减小设备接收干扰的面积：线束应设计成最小长度、最小阻抗和最小环路面积，最好采用双绞线等回路面积小的供电方式。增大设备到干扰源的距离：在干扰设备布置不变的情况下，改造敏感部件的安装位置，增大到干扰源的距离。电磁兼容性改进措施的试验研究：目前，电磁兼容仿真计算通常用来对车体结构的电磁性能进行初步估计[4]文中有引用，后面无参考文献。汽车电子设备的电磁性能主要以测试为依据，因此对改进措施着重进行试验研究。根据汽车整车及零部件的电磁兼容性法规GB18655－2002《用于保护汽车接收机的无线电骚扰特性的限值和测量方法》，对国内一种商务车型的电子设备进行了电磁兼容性测试，采用了综合改进措施，试验结果可以比较各种措施在实车运用中的效果。什么是电磁波?电磁波(Electromagnetic wave)是由同相 且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。见麦克斯韦方程组。电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。电磁波实际上分为电波和磁波，是二者的总称，但由于电场和磁场总是同时出现，同时消失，并相互转换，所以通常将二者合称为电磁波，有时可直接简称为电波。在量子力学角度下，电磁波的能量以一份份的光子呈现，光子本质上来说就是波包，即以局域性能量呈现的波。电磁波的能量是量子化的，当其能级阶跃迁过辐射临界点，便以光子的形式向外辐射，此阶段波体为光子，光子属于玻色子。一定频率范围的电磁波可以被人眼所看见，称之为可见光，或简称为光，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态。电磁波不依靠介质传播。电磁辐射通常意义上指所有电磁辐射特性的电磁波，非电离辐射是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性的辐射。称作电离辐射。要特别注意，电磁波并非与传统的机械波一样发生了空间上的震动，而是传播路径上不同点电场与磁场属性的改变。从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，属于一种波，就像机械波，引力波和物质波（概率波）一样，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波，且温度越高，放出的电磁波频率就越高，波长就越短，这种电磁波称之为黑体辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的其他电磁波。电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E（或电位移D）及磁通密度B（或磁场强度H）表示其特性。按照麦克斯韦的电磁场理论，这两部分是紧密相依的。时变的电场会引起磁场，时变的磁场也会引起电场。电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播速度与光速相等，在自由空间中，为c=299792458m/s≈3×108m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。电磁辐射量与温度有关，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，频率越高，波长越短，但大多不能被肉眼观察到吸波材料 定义 所谓吸波材料，指能吸收或者大幅减弱其表面接收到的电磁波能量，从而减少电磁波的干扰的一类材料。在工程应用上，除要求吸波材料在较宽频带内对电磁波具有高的吸收率外，还要求它具有质量轻、耐温、耐湿、抗腐蚀等性能。 介绍 随着现代科学技术的发展，电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场、机航班因电磁波干扰无法起飞而误点；在医院、移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此，治理电磁污染，寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料，已成为材料科学的一大课题。电磁辐射通过热效应、非热效应、累积效应对人体造成直接和间接的伤害。研究证实，铁氧体吸波材料性能最佳，它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。将这种材料应用于电子设备中可吸收泄露的电磁辐射，能达到消除电磁干扰的目的。根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。 吸波材料在设计时，要考虑两个问题，1）、电磁波遭遇吸波材料表面时，尽可能完全穿过表面，减少反射；2）、在电磁波进入到吸波材料内部时，要使电磁波的能量尽量损耗掉。电子产品在工作时会向外辐射不同频率和波长的电磁波，易对临近电路和设备造成干扰，造成信息传输失误、控制失灵等事故，并对环境造成电磁污染。如导致飞机无法按时起飞、医院的电子诊疗仪器无法 正常工作等。目前，吸波材料是解决电磁污染的应用材料之一。吸波材料不仅能吸收部分电磁波，还具有质量轻、耐潮湿、耐高温、耐腐蚀等特点。吸波材料的特点及应用一特点吸波材料是指能吸收投射到它表面的电磁波能量的一类材料，通过材料各种不同的损耗机制，将入射电磁波转化为热能或其它能量形式，而达到吸收电磁波目的。在工程应用上，除了要求吸波材料在较宽频带内，对电磁波具有很高的吸收率外，还要求具有耐温、耐湿、质量轻、抗腐蚀等性能。吸波材料的吸波效果是由介质内部各种电磁机制来决定，如：电介质的共振吸收、电子扩散、微涡流等等。•柔软不易碎，轻薄，易于加工切割，使用方便，可安装于狭小空间•产品需要粘接或压合在金属底板上才能达到良好的吸波效果•产品可以对应多样化的尺寸和形状•耐温性高，柔韧性好•无卤，无铅，满足RoHs指令产品应用：•可作为移动设备用柔性电缆的噪音对策。（笔记本电脑，游戏机，手……等）•降低各种电子设备的辐射噪音。（CPU产生的噪音等）•降低手机对人体的电磁波辐射（SAR）。•降低屏蔽框内的内部EMI（共振，串扰）。•减少低频间的耦合传导辐射干扰、减少低频回波干扰。二吸波材料的应用1、可用在笔记本电脑、手机、通讯机柜等的电子设备腔体内部。2、可用来降低各种电子设备的辐射和噪音。3、可减少低频间的偶合传导辐射干扰、减少低频回波干扰4、可降低屏障框内的内部EMI（共振、串扰）。5、应用到芯片与散热模块之间。6、应用之EMI/RFI：EMI（Electro MagneTIc Interference）：翻译为电磁波干扰。电磁波干扰三要素：干扰源、干扰传播途径以及敏感设备。扰源是指产生电磁干扰的电子设备或系统，干扰传播途径包括线缆，空间等，敏感设备是指易受电磁干扰影响的电子设备或系统。发射频率干扰（RF Interference）：射频是一种高频交流电，也就是通常所说的电磁波。射频干扰就是电磁波所带来的干扰。如两个频率相差不多的电磁波会同时被接收机接收造成干扰。在离发出台近的地方会有谐波干扰。干扰其他的接收设备。在相同频率的电磁波可干扰电台。吸波材料与屏蔽材料的区别屏蔽材料是能对两个空间区域之间进行金属的隔离、磁场、电磁波、以控制电场，由一个区域对另一个区域的感应和辐射的一类材料。具体来说就是用来制造屏蔽体的材料。屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散，用屏蔽体将接收电路、设备或系统包起来，防止受到外界电磁场的影响。吸波材料电磁波进去出不来，但是电磁屏蔽材料不一定是把电磁波反射掉，而是通过无论是吸收还是反射，使电磁波到达屏蔽材料另一面的量减少。可以说吸波材料是为使吸波材料和电磁波源的同侧，尽可能少的接收反射回来的电磁波，而电磁屏蔽材料是为屏蔽材料与使电磁波源异侧，尽可能少的接收到电磁波的影响。电子行业瞬息万变，这对材料方案商而言带来不少挑战。在5G、汽车电子、自动驾驶、无人机、AI、AR/VR等趋势下，电子产品将不断迭代更新，对芯片的算力要求更高，面临功耗增大，辐射、散热加剧等问题，这对高端材料的开发能力和技快速对应的术支持提出了更高要求。来源：电磁兼容之家
