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2019年06月10日 | 汽车电子风扇电机控制电路与主电路电磁兼容分析与优化
2019-06-10
随着电动汽车以及自动驾驶技术的推广，大量电子电气设备的使用对电磁兼容（EMC）提出了日趋严苛的要求，产品设计中的EMC问题变得越来越重要。该文对主电路分单纯铺铜、增加铁质连接片以及增加铁质连接片与铜质导线三种情况分别建立有限元模型，计算得到了表面电场强度，分析了电场分布趋势。通过实验测量风扇电机控制电路和主电路的电磁场分布。
实验结果证明仿真结果的正确性，进而分析局部电场强度集中的原因，给出改进措施。对控制电路主芯片连接MOSFET栅极的信号网络进行信号完整性分析，仿真计算得到了线路眼图，通过调整终端电阻，改善了眼图的眼高和眼宽，有效地提高了信号的传输质量。
通过主电路的有限元分析和控制电路的信号完整性仿真，精确地研究了电场强度和线路眼图，相比传统的定性分析方法，给出了更加准确的电子电路改进措施。
近年来，我国汽车工业发展迅速。汽车设计、制造的整体水平有了大幅度的提高。与此同时，用户对汽车安全、节能、环保、舒适等方面的需求也不断提高，因此车载电气电子设备得到了广泛的应用。相关统计表明，国内紧凑型轿车的电子零部件成本约占整车的25%，豪华品牌轿车的比例则高达40%，而且这些电子产品的种类和数量还在不断增加，同时它们的工作频率及功率也逐渐增大。
随着电动汽车以及自动驾驶技术的推广，汽车中电气电子设备进一步高度集成，产品功能日趋复杂，需要在有限的空间中放置更多的电气电子产品，所以电子产品间的电磁环境变得更加恶劣，对汽车中电子产品的电磁兼容提出了更严苛的要求。比较突出的电磁兼容（Electromagnetic CompaTIbility, EMC）问题甚至会引起汽车的各种故障，如指示灯误操作，安全气囊不能及时弹出等。
2018年5月23日，在因特尔所属自动驾驶技术公司Mobileye所在地的新闻发布会上，一辆自动驾驶汽车径直闯过了红灯，并没有任何刹车的迹象，其原因是电视台工作人员在车内安装的摄像头的无线信号传送器发出电磁干扰，对交通信号灯内转调器的正常工作造成影响。虽然没有造成人员伤亡，但这次事故暴露出了电磁兼容问题的严重性。如何有效地解决汽车中设备级电磁兼容问题，是当前研究工作的重中之重。
对于电磁兼容问题，文献[7]主要通过滤波和屏蔽，在传播路径上抑制电磁辐射；文献[8]主要对印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）上的线路进行合理布局，通过减小电流环路面积来减少电磁辐射。在现代电气电子设备中，信号频率的不断增加和开关管高速动作都会导致严重的电磁干扰。
与此同时，由于电流的趋肤效应导致在印制板铺铜边缘电流密度过大，引起局部近电场强度过大，如此一来，势必会引起远场辐射能力的增强，使其他敏感元器件受到强烈的电磁干扰，因此减少局部电场强度是电磁兼容中重要的一项。
信号完整性（Signal Integrity, SI）是指电路信号能够在不影响系统其他信号质量的前提下，通过一段传输路径后到达接收端口时波形的完整程度。当电路上的信号可以按要求的时序、持续时间和电压幅值从发射端到达接收端，就说明本电路具有良好的信号完整性。
电路的信号完整性受多种因素共同影响，一般是由于信号的边沿过于陡峭、阻抗不匹配以及临近线路对它的电磁干扰。如果在进行信号完整性分析时对电路板上的每一个信号网路进行分析，势必会产生大量人力和资源的消耗，可行性较低，所以在实际的信号完整性分析时，通常会将系统中的信号进行划分，计算信号网络中的关键信号，以达到节省计算时间和资源的目的。
对于信号完整性的分析，文献[14]采用S参数分析信号线路在不同频率下阻抗的变化方法，而眼图是一种在固定工作频率下分析信号质量的方法。相比而言，眼图可以直观反映出信号网络在工作频率中的系统噪声、时间抖动和过冲等现象。
汽车发动机冷却系统，一般通过散热器风扇提高水箱周围风速的办法，提高散热器的冷却效率。散热风扇的发展历经了三个阶段：①发动机直接带动风扇转动，这种方式效率低下，且会增加油耗；②电磁离合器控制风扇转速，一般有两档或三挡，但由于发动机的温度跟驾驶环境和驾驶习惯有很大关系，离合器需要频繁换挡、容易损坏，且效率的提高和油耗的减少并不十分明显；③电子风扇阶段，由车辆电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）控制风扇转速，可根据水箱温度实现无极调速、效率高、能耗低、寿命长。
本文通过对汽车电子风扇电机控制电路与主电路的电磁兼容进行分析和优化，提高了该电路在复杂电磁环境中的抗干扰能力并降低了该电路对外的辐射发射。
汽车冷却装置原理
实物图及局部放大
结论
本文对部分主电路分三种情况单独建立了有限元模型，计算得到了表面电场强度，分析了电场分布趋势，并通过实验验证了仿真的正确性。计算结果证明，MOS管通断瞬间会有很高的高频分量， 90°直角的出现导致信号在直角处的辐射最强，对周围电路造成严重电磁干扰，建议在大功率电路中，即使工作频率较低，也应该避免出现90°直角。
信号完整性分析表明，通过调整电路参数，可以明显改善驱动信号的眼图。相比传统的经验式定性分析方法，数值仿真技术可以给出更加准确的电子电路改进措施，进而提升PCB的可靠性减少故障率。
史海拾趣
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