近年來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅速。隨著電動汽車以及自動駕駛技術(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，安全氣囊不能及時彈出等。
2018年5月23日，在因特爾所屬自動駕駛技術(shù)公司Mobileye所在地的新聞發(fā)布會上，一輛自動駕駛汽車徑直闖過了紅燈，并沒有任何剎車的跡象，其原因是電視臺工作人員在車內(nèi)安裝的攝像頭的無線信號傳送器發(fā)出電磁干擾，對交通信號燈內(nèi)轉(zhuǎn)調(diào)器的正常工作造成影響。雖然沒有造成人員傷亡，但這次事故暴露出了電磁兼容問題的嚴(yán)重性。如何有效地解決汽車中設(shè)備級電磁兼容問題，是當(dāng)前研究工作的重中之重。
對于電磁兼容問題，文獻(xiàn)[7]主要通過濾波和屏蔽，在傳播路徑上抑制電磁輻射;文獻(xiàn)[8]主要對印制電路板(Printed Circuit Board, PCB)上的線路進(jìn)行合理布局，通過減小電流環(huán)路面積來減少電磁輻射。在現(xiàn)代電氣電子設(shè)備中，信號頻率的不斷增加和開關(guān)管高速動作都會導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾。
與此同時，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大，引起局部近電場強度過大，如此一來，勢必會引起遠(yuǎn)場輻射能力的增強，使其他敏感元器件受到強烈的電磁干擾，因此減少局部電場強度是電磁兼容中重要的一項。
信號完整性(Signal Integrity, SI)是指電路信號能夠在不影響系統(tǒng)其他信號質(zhì)量的前提下，通過一段傳輸路徑后到達(dá)接收端口時波形的完整程度。當(dāng)電路上的信號可以按要求的時序、持續(xù)時間和電壓幅值從發(fā)射端到達(dá)接收端，就說明本電路具有良好的信號完整性。
電路的信號完整性受多種因素共同影響，一般是由于信號的邊沿過于陡峭、阻抗不匹配以及臨近線路對它的電磁干擾。如果在進(jìn)行信號完整性分析時對電路板上的每一個信號網(wǎng)路進(jìn)行分析，勢必會產(chǎn)生大量人力和資源的消耗，可行性較低，所以在實際的信號完整性分析時，通常會將系統(tǒng)中的信號進(jìn)行劃分，計算信號網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵信號，以達(dá)到節(jié)省計算時間和資源的目的。
對于信號完整性的分析，文獻(xiàn)[14]采用S參數(shù)分析信號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質(zhì)量的方法。相比而言，眼圖可以直觀反映出信號網(wǎng)絡(luò)在工作頻率中的系統(tǒng)噪聲、時間抖動和過沖等現(xiàn)象。
汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，一般通過散熱器風(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)了三個階段：①發(fā)動機直接帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，這種方式效率低下，且會增加油耗;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)動機的溫度跟駕駛環(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)水箱溫度實現(xiàn)無極調(diào)速、效率高、能耗低、壽命長。
本文通過對汽車電子風(fēng)扇電機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外的輻射發(fā)射。
圖1 汽車?yán)鋮s裝置原理
本文對部分主電路分三種情況單獨建立了有限元模型，計算得到了表面電場強度，分析了電場分布趨勢，并通過實驗驗證了仿真的正確性。計算結(jié)果證明，MOS管通斷瞬間會有很高的高頻分量， 90°直角的出現(xiàn)導(dǎo)致信號在直角處的輻射最強，對周圍電路造成嚴(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。信號完整性分析表明，通過調(diào)整電路參數(shù)，可以明顯改善驅(qū)動信號的眼圖。相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗式定性分析方法，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。
用戶對汽車安全、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)計表明，國內(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，同時它們的工作頻率及功率也逐漸增大。