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汽車電子EMC電磁兼容の重要性(一)

日期:2024-06-14 11:59
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摘要: 導語: 隨著電子設備的性能和功能的提高,每個設備產生的熱量增加,有效地散發,消散和冷卻熱量很重要。對于5G智能手機和AR/VR設備等高性能移動產品,由于采用高性能IC和追求減輕重量的高度集成設計,導致散熱部件的安裝空間受到限制。限制了殼體內部的安裝空間,因此利用高導熱墊片等TIM技術方案來更好地實現散熱。5G時代巨大數據流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求,器件功耗大幅提升的同時,引起了這些部位電子零部件發熱量的急劇增加,當前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI...
       導語: 隨著電子設備的性能和功能的提高,每個設備產生的熱量增加,有效地散發,消散和冷卻熱量很重要。對于5G智能手機和AR/VR設備等高性能移動產品,由于采用高性能IC和追求減輕重量的高度集成設計,導致散熱部件的安裝空間受到限制。限制了殼體內部的安裝空間,因此利用高導熱墊片等TIM技術方案來更好地實現散熱。5G時代巨大數據流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求,器件功耗大幅提升的同時,引起了這些部位電子零部件發熱量的急劇增加,當前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI、物聯網等領域的散熱材料、吸波、屏蔽材料的需求也在增加。 隨著現代科學技術的發展,電磁波輻射對環境的影響日益增大。在機場、機航班因電磁波干擾無法起飛而誤點;在醫院、移動電話常會干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此,治理電磁污染,尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料,已成為材料科學的一大課題。電磁輻射通過熱效應、非熱效應、累積效應對人體造成直接和間接的傷害。 

      汽車工業的快速發展和汽車市場的激烈競爭極大地促進了各類電氣、電子和信息設備在汽車上的廣泛應用,對于今天的汽車產業,應用電子技術的程度已成為提升汽車技術水平的重要標志之一。電子設備廣泛應用于汽車發動機控制系統、自動變速系統、制動系統、調節系統以及行駛系統中,對汽車的**性、可靠性、舒適性起著決定性作用。

EMC汽車電磁兼容

什么是汽車電磁兼容EMC?

      電磁兼容,Electro Magnetic Compatibility,簡稱為EMC,是指車輛或零部件在其電磁環境中可以令人滿意的工作,對在同一環境中工作的其他用電設備不造成干擾。

     EMC包括兩個方面的要求:電磁騷擾(EMI):指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁騷擾不能超過一定的限值;電磁敏感度(EMS):指設備對所在環境中存在的電磁騷擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。

汽車電磁干擾源分類

      汽車電子的干擾機改進 汽車電子設備工作在行駛環境不斷變化的汽車上,環境中電磁能量構成的復雜性和多變性,意味著系統所受到的電磁干擾來源比較廣泛。按照電磁干擾的來源分類,可分為車外電磁干擾、車體靜電干擾和車內電磁干擾。

車外電磁干擾:

      車外電磁干擾是汽車行駛中經歷各種外部電磁環境時所受的干擾。這類干擾存在于特定的空間或是特定的時間。如高壓輸電線、高壓變電站和大功率無線電發射站的電磁干擾,以及雷電、太陽黑子輻射電磁干擾等等[2]。環境中其它臨近的電子設備工作時也會產生干擾,例如行駛中相距較近的汽車。

車體靜電干擾:

      車體靜電干擾與汽車和外部環境都有關。由于汽車行駛時車體與空氣高速摩擦,在車體上形成不均勻分布的靜電。靜電放電會在車體上形成干擾電流,同時產生高頻輻射,對汽車電子設備形成電磁干擾。

車內電磁干擾:

     車內電磁干擾是汽車電子設備工作時內部的相互干擾,包括電子元器件產生的電子噪聲,電機運行中換向電刷產生的電磁干擾以及各種開關工作時的放電干擾,*嚴重的是汽車點火系統產生的高頻輻射,其干擾能量*大。

為什么要關注汽車電磁兼容EMC?

       曾經我們以為汽車*怕電磁干擾的是收音機,*大可能釋放電磁干擾的部件是發動機。但隨著汽車的各種功能的發展,汽車電子元件越來越多,現在一輛**的乘用轎車全車電子元件甚至可以達到200個,因此汽車受電磁干擾的影響也越來越大,產生的電磁干擾也越來越強。于是汽車的電磁兼容從此被當作了非常重要的評價標準。并且隨著汽車電氣化智能化的需求越來越高,電磁兼容已經成為汽車尤其是新能源汽車設計生產不可回避的關鍵問題之一:新能源汽車使用電驅動系統驅動車輛,在車輛充電和放電過程中,大功率半導體開關器件動作會引起高電壓、大電流的突變,從而發出強烈的電磁干擾。如果電磁輻射過大,就有可能引起自身或周圍電子設備的功能失效或誤動作,甚至燒毀或擊穿元器件,對我們的日常生活和車輛的**行駛造成嚴重影響;同樣如果車輛自身的抗干擾不足,車輛在行駛過程中也會存在極大的**隱患。



提高電子設備電磁兼容EMC的性能

        汽車電子設備的電磁兼容性能包括兩方面,一是電磁發射,衡量系統產生的電磁干擾的發射水平;二是電磁敏感度,衡量系統在工作時為實現預期技術指標而需要的抵抗電磁干擾的能力。根據前面的分析,要綜合提高汽車電子設備的電磁性能,可以從三方面考慮,一是減小設備發射電磁干擾的強度;二是抑制電磁干擾的傳輸;三是降低設備電磁敏感部件接收干擾的強度。

減小設備的電磁干擾強度:

      優化設備的電氣結構:汽車電子設備中閃光器是繼電器觸點結構,可以在觸點前加電弧抑制器;電機為感性負載,可通過內部濾波電路降低電流噪聲;各種電控單元的印刷電路板,要優化布線,降低電磁發射水平。

      選用合適的電子元器件:汽車上的各種控制單元,采用較低頻的芯片有利于減少輻射干擾。

       降低設備的功率:在滿足功能需求的情況下,降低設備的功率,可以減小干擾電壓和電流,從而減小干擾強度。

抑制干擾的傳輸

     屏蔽干擾源設備和相關線束:汽車中主要的電控系統使用的電控單元,應該采用屏蔽殼體封裝。增加線束濾波:對較長的線束,為減小傳導和輻射干擾,應在線束上增加濾波,比較方便的是套接合適的鐵氧體磁環。

     合理規劃線束:線束布置上使小功率敏感電路緊靠信號源,大功率干擾電路緊靠負載,盡可能分開小功率電路和大功率電路,減小線束間的感應干擾和輻射干擾。

     改進設備的接地:良好的接地布置和改進的地線搭接可以降低高頻阻抗。汽車電子設備接地主要是就近接到車體以及線束屏蔽層接地。

降低設備接收干擾的強度:

      減小設備接收干擾的面積:線束應設計成*小長度、*小阻抗和*小環路面積,*好采用雙絞線等回路面積小的供電方式。

      增大設備到干擾源的距離:在干擾設備布置不變的情況下,改造敏感部件的安裝位置,增大到干擾源的距離。

電磁兼容性改進措施的試驗研究:

      目前,電磁兼容仿真計算通常用來對車體結構的電磁性能進行初步估計[4]文中有引用,后面無參考文獻。汽車電子設備的電磁性能主要以測試為依據,因此對改進措施著重進行試驗研究。根據汽車整車及零部件的電磁兼容性法規GB18655-2002《用于保護汽車接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法》,對國內一種商務車型的電子設備進行了電磁兼容性測試,采用了綜合改進措施,試驗結果可以比較各種措施在實車運用中的效果。

什么是電磁波?

     電磁波(Electromagnetic wave)是由同相 且互相垂直的電場與磁場在空間中衍**射的振蕩粒子波,是以波動的形式傳播的電磁場,具有波粒二象性,其粒子形態稱為光子,電磁波與光子不是非黑即白的關系,而是根據實際研究的不同,其性質所體現出的兩個側面。由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動,其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面。電磁波在真空中速率固定,速度為光速。見麥克斯韋方程組。

     電磁波伴隨的電場方向,磁場方向,傳播方向三者互相垂直,因此電磁波是橫波。電磁波實際上分為電波和磁波,是二者的總稱,但由于電場和磁場總是同時出現,同時消失,并相互轉換,所以通常將二者合稱為電磁波,有時可直接簡稱為電波。

    在量子力學角度下,電磁波的能量以一份份的光子呈現,光子本質上來說就是波包,即以局域性能量呈現的波。電磁波的能量是量子化的,當其能級階躍遷過輻射臨界點,便以光子的形式向外輻射,此階段波體為光子,光子屬于玻色子。

     一定頻率范圍的電磁波可以被人眼所看見,稱之為可見光,或簡稱為光,太陽光是電磁波的一種可見的輻射形態。電磁波不依靠介質傳播。

    電磁輻射通常意義上指所有電磁輻射特性的電磁波,非電離輻射是指無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線。而X射線及γ射線通常被認為是放射性的輻射。稱作電離輻射。

要特別注意,電磁波并非與傳統的機械波一樣發生了空間上的震動,而是傳播路徑上不同點電場與磁場屬性的改變。

     從科學的角度來說,電磁波是能量的一種,屬于一種波,就像機械波,引力波和物質波(概率波)一樣,凡是高于**零度的物體,都會釋出電磁波,且溫度越高,放出的電磁波頻率就越高,波長就越短,這種電磁波稱之為黑體輻射。正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣,除光波外,人們也看不見無處不在的其他電磁波。

    電磁場包含電場與磁場兩個方面,分別用電場強度E(或電位移D)及磁通密度B(或磁場強度H)表示其特性。按照麥克斯韋的電磁場理論,這兩部分是緊密相依的。時變的電場會引起磁場,時變的磁場也會引起電場。電磁場的場源隨時間變化時,其電場與磁場互相激勵導致電磁場的運動而形成電磁波。電磁波的傳播速度與光速相等,在自由空間中,為c=299792458m/s≈3×108m/s。電磁波的行進還伴隨著功率的輸送。

    電磁輻射量與溫度有關,通常高于**零度的物質或粒子都有電磁輻射,溫度越高輻射量越大,頻率越高,波長越短,但大多不能被肉眼觀察到

吸波材料


定義

     所謂吸波材料,指能吸收或者大幅減弱其表面接收到的電磁波能量,從而減少電磁波的干擾的一類材料。在工程應用上,除要求吸波材料在較寬頻帶內對電磁波具有高的吸收率外,還要求它具有質量輕、耐溫、耐濕、抗腐蝕等性能。


介紹

      隨著現代科學技術的發展,電磁波輻射對環境的影響日益增大。在機場、機航班因電磁波干擾無法起飛而誤點;在醫院、移動電話常會干擾各種電子診療儀器的正常工作。因此,治理電磁污染,尋找一種能抵擋并削弱電磁波輻射的材料——吸波材料,已成為材料科學的一大課題。電磁輻射通過熱效應、非熱效應、累積效應對人體造成直接和間接的傷害。研究證實,鐵氧體吸波材料性能*佳,它具有吸收頻段高、吸收率高、匹配厚度薄等特點。將這種材料應用于電子設備中可吸收泄露的電磁輻射,能達到消除電磁干擾的目的。根據電磁波在介質中從低磁導向高磁導方向傳播的規律,利用高磁導率鐵氧體引導電磁波,通過共振,大量吸收電磁波的輻射能量,再通過耦合把電磁波的能量轉變成熱能。 吸波材料在設計時,要考慮兩個問題,1)、電磁波遭遇吸波材料表面時,盡可能完全穿過表面,減少反射;2)、在電磁波進入到吸波材料內部時,要使電磁波的能量盡量損耗掉。

      電子產品在工作時會向外輻射不同頻率和波長的電磁波,易對臨近電路和設備造成干擾,造成信息傳輸失誤、控制失靈等事故,并對環境造成電磁污染。如導致飛機無法按時起飛、醫院的電子診療儀器無法正常工作等。目前,吸波材料是解決電磁污染的應用材料之一。吸波材料不僅能吸收部分電磁波,還具有質量輕、耐潮濕、耐高溫、耐腐蝕等特點。


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