关于汽车零部件测试中的大电流注入抗干扰试验原理及应用分析

参考标准：ISO 11452-4:2020 

曾经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。

 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。

大电流注入(BCI)试验原理

      大电流注入试验：是通过电流注入探头直接将干扰信号感应到DUT 试验线束的一种方法，注入探头是一个电流互感器，被测样品(DUT)的试验线束通过注入探头。

1、 电流注入探头能够将要求频率范围内的干扰信号耦合到试验线束，也要能够承受较大测试Level 的输入功率。

2、要考虑注射探头的测试电平饱和和DUT电流饱和。

测试方法及频率范围

主要取决于能量转换单元的特性,根据适用频率范围：

BCI的测试方法频率范围为：100kHz至400MHz

TWC的测试方法频率范围为：400MHz至3GHz

测试需要在屏蔽室内执行。

干扰信号调制图

1. CW                       

2. 1 kHz sine wave at 80 %

3. PM1 (PM, similar to GSM), with ton = 577 μs and period = 4 600 us:

4. PM2 (PM, similar to Radar), with ton = 3 us and period = 3333 us:

大电流注入(BCI)试验方法

1、替代法：

注入探头在距DUT连接器（150±50）mm; （450±50）mm; （750±50）mm;这个距离从探头的中心/中点测量

如果在测试中用到测量探头，则测量探头放置在距DUT连接器（50±10）mm的位置

2、闭环法

注入探头应放置在距离DUT连接器(900±10)mm处。从注入探头的中心/中点测量到DUT的距离。电流测量探头应放置在距离DUT连接器(50±10)mm处。

3、管状波测试法

使用管状波耦合器将干扰耦合到测试线束中。

管状波耦合器应放置在距离被测件(100±10)mm处，并与接地面隔离。连接射频信号发生器和放大器输出到靠近DUT的端口上。50 Ω负载电阻应与接地平面绝缘隔离，并放置在最小距离线束200mm的距离处，连接到TWC的第二端口。

大电流注入(BCI)试验干扰原理分析

BCI测试系统主要由信号源、功率放大设备、功率计、电流耦合钳及控制软件组成。根据电磁理论和原理，电流钳产生一个感应磁场 ，当有导体通过该感应场时，导体上就会产生感应电压，如果该导体具有一个闭合回路，就会形成感应电流，导体上感应电流的大小，除了与感应磁场的强度相关外，还与导体闭合回路的阻抗相关，当感应磁场恒定不变时，导体闭合回路阻抗越小，形成的感应电就越大。对于BCI试验的解决方案而言，切断耦合路径和提高回路阻抗是预防和解决干扰的重要手段。BCI测试方法中，其注入方式分为两种：一种是共模注入方式CBCI，一种是差模注入方式DBCI。

      BCI试验系统的基本组成及校准原理，如图4所示。由功放通过定向耦合器向注入钳输出功率，再由校准装置进行耦合感应，校准装置端接50Ω负载，另一端输出至功率计，读取注入功率参数。

      在共模注入CBCI和差模注入DBCI中，所注入电流的能量和干扰路径是不同的，两种试验结果也会产生较大差异。如图7所示，差模注入（DBCI）的特征是噪声在线束与线束之间形成回路，回流路径基本是阻抗较低的线束或通路，通常是地线。共模注入（CBCI）的特征是噪声在线束与地之间形成回路，通过空间耦合与地形成回路。从上图中可以看出差模与共模整个回路是完全不同的，即使是同一被测样品，两种测试方法，也可能存在不同的试验结果。

解决思路

上图8为阻抗分析的简易模型，R3为人工电源网络，阻抗为ZL3，R2为端口线束对地电阻，阻抗为ZL2，R1为负载电阻，阻抗为ZL1，设定阻抗ZL1 << ZL2、ZL3，在线路中注入交变能量时，由于ZL1阻抗较小，线路中的交变能量转换为电流流过R1，由于注入线束与其它线束（线与线、PCB走线与PCB走线）之间存在分布参数（分布电容、分布电感），当注入频率达分布电容、分布电感的谐振频率时即形成耦合通路。如果要泄放耦合到的交变能量，可以通过设定一个更小的阻抗回路进行转移泄放，或者将ZL1的阻抗增大，减小闭合回路中的电流。ZL2为近端泄放路径的阻抗，ZL3为远端泄放路径的负载阻抗，C为等效电容，L为等效电感，在不考虑交变能量方向性的情况下，最终注入线束中总阻抗Z即为：

总阻抗Z ＝ （R1//R2//R3）+ j（XL-XC）

根据上述理论，可在不影响样机正常功能的前提下，对地并联一定参数的电阻或电容，对噪声电路进行旁路处理，从而降低R1上的感应电流，使交变噪声能量在就近端口回流至地，减小耦合能量，提高电路的抗扰能力。

整改对策

如下图9所示，在信号线输出端口增加一级RC吸收电路，目的为噪声提供一个低容性回路，将线束上的交变能量就近进行泄放，使噪声电路不再通过IO电路被注入到MCU形成干扰。

总结

对于BCI大电流试验失效的整改，工程师需要了解其干扰机理，定位其干扰路径、分析其受扰电路或模块，才是解决问题的关键。屏蔽、接地、旁路、去耦、阻抗调整、数字滤波等都是解决电磁干扰的有效手段。在行业中，衡量一套电磁兼容解决方案是否优秀的标准，即是采最简单的电路、最低廉的成本和最有效的测试结果，往往整改方案越简单，实现起来就越容易，就越容易达成解决问题的目的。

关于东电汽车电子EMC实验室

      东电检测汽车电子EMC实验室拥有最高供电电压1000V、电源100A，满足主流汽车电子零部件产品（如车载导航、车载影音系统、功放、中控台、大灯、空调控制系统、倒车雷达、流媒体后视镜、液晶仪表盘等等）及车企测试要求。