汽車(chē)電子風(fēng)扇電機控制電路與主電路電磁兼容分析與優(yōu)化

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，大量電子電氣設備的使用對電磁兼容（EMC）提出了日趨嚴苛的要求，產(chǎn)品設計中的EMC問(wèn)題變得越來(lái)越重要。該文對主電路分單純鋪銅、增加鐵質(zhì)連接片以及增加鐵質(zhì)連接片與銅質(zhì)導線(xiàn)三種情況分別建立有限元模型，計算得到了表面電場(chǎng)強度，分析了電場(chǎng)分布趨勢。通過(guò)實(shí)驗測量風(fēng)扇電機控制電路和主電路的電磁場(chǎng)分布。

實(shí)驗結果證明仿真結果的正確性，進(jìn)而分析局部電場(chǎng)強度集中的原因，給出改進(jìn)措施。對控制電路主芯片連接MOSFET柵極的信號網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信號完整性分析，仿真計算得到了線(xiàn)路眼圖，通過(guò)調整終端電阻，改善了眼圖的眼高和眼寬，有效地提高了信號的傳輸質(zhì)量。

通過(guò)主電路的有限元分析和控制電路的信號完整性仿真，精準地研究了電場(chǎng)強度和線(xiàn)路眼圖，相比傳統的定性分析方法，給出了更加準確的電子電路改進(jìn)措施。

近年來(lái)，我國汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅速。汽車(chē)設計、制造的整體水平有了大幅度的提高。與此同時(shí)，用戶(hù)對汽車(chē)**、節能、環(huán)保、舒適等方面的需求也不斷提高，因此車(chē)載電氣電子設備得到了廣泛的應用。相關(guān)統計表明，國內緊湊型轎車(chē)的電子零部件成本約占整車(chē)的25%，豪華品牌轎車(chē)的比例則高達40%，而且這些電子產(chǎn)品的種類(lèi)和數量還在不斷增加，同時(shí)它們的工作頻率及功率也逐漸增大。

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，汽車(chē)中電氣電子設備進(jìn)一步高度集成，產(chǎn)品功能日趨復雜，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(chē)中電子產(chǎn)品的電磁兼容提出了更嚴苛的要求。比較突出的電磁兼容（Electromagnetic CompaTIbility, EMC）問(wèn)題甚至會(huì )引起汽車(chē)的各種故障，如指示燈誤操作，**氣囊不能及時(shí)彈出等。

2018年5月23日，在因特爾所屬自動(dòng)駕駛技術(shù)公司Mobileye所在地的新聞發(fā)布會(huì )上，一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)徑直闖過(guò)了紅燈，并沒(méi)有任何剎車(chē)的跡象，其原因是電視臺工作人員在車(chē)內安裝的攝像頭的無(wú)線(xiàn)信號傳送器發(fā)出電磁干擾，對交通信號燈內轉調器的正常工作造成影響。雖然沒(méi)有造成 人員傷亡，但這次事故暴露出了電磁兼容問(wèn)題的嚴重性。如何有效地解決汽車(chē)中設備級電磁兼容問(wèn)題，是當前研究工作的重中之重。

對于電磁兼容問(wèn)題，文獻[7]主要通過(guò)濾波和屏蔽，在傳播路徑上抑制電磁輻射；文獻[8]主要對印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）上的線(xiàn)路進(jìn)行合理布局，通過(guò)減小電流環(huán)路面積來(lái)減少電磁輻射。在現代電氣電子設備中，信號頻率的不斷增加和開(kāi)關(guān)管高速動(dòng)作都會(huì )導致嚴重的電磁干擾。

與此同時(shí)，由于電流的趨膚效應導致在印制板鋪銅邊緣電流密度過(guò)大，引起局部近電場(chǎng)強度過(guò)大，如此一來(lái)，勢必會(huì )引起遠場(chǎng)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(chǎng)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其他信號質(zhì)量的前提下，通過(guò)一段傳輸路徑后到達接收端口時(shí)波形的完整程度。當電路上的信號可以按要求的時(shí)序、持續時(shí)間和電壓幅值從發(fā)射端到達接收端，就說(shuō)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(guò)于陡峭、阻抗不匹配以及臨近線(xiàn)路對它的電磁干擾。如果在進(jìn)行信號完整性分析時(shí)對電路板上的每一個(gè)信號網(wǎng)路進(jìn)行分析，勢必會(huì )產(chǎn)生大量人力和資源的消耗，可行性較低，所以在實(shí)際的信號完整性分析時(shí)，通常會(huì )將系統中的信號進(jìn)行劃分，計算信號網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵信號，以達到節省計算時(shí)間和資源的目的。

對于信號完整性的分析，文獻[14]采用S參數分析信號線(xiàn)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(guān)反映出信號網(wǎng)絡(luò )在工作頻率中的系統噪聲、時(shí)間抖動(dòng)和過(guò)沖等現象。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機冷卻系統，一般通過(guò)散熱器風(fēng)扇提高水箱周?chē)L(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(gè)階段：①發(fā)動(dòng)機直接帶動(dòng)風(fēng)扇轉動(dòng)，這種方式效率低下，且會(huì )增加油耗；②電磁離合器控制風(fēng)扇轉速，一般有兩檔或三擋，但由于發(fā)動(dòng)機的溫度跟駕駛環(huán)境和駕駛習慣有很大關(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(chē)輛電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）控制風(fēng)扇轉速，可根據水箱溫度實(shí)現無(wú)極調速、效率高、能耗低、壽命長(cháng)。

本文通過(guò)對汽車(chē)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。

汽車(chē)冷卻裝置原理

實(shí)物圖及局部放大

結論

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(chǎng)強度，分析了電場(chǎng)分布趨勢，并通過(guò)實(shí)驗驗證了仿真的正確性。計算結果證明，MOS管通斷瞬間會(huì )有很高的高頻分量， 90°直角的出現導致信號在直角處的輻射*強，對周?chē)娐吩斐蓢乐仉姶鸥蓴_，建議在大功率電路中，即使工作頻率較低，也應該避免出現90°直角。

信號完整性分析表明，通過(guò)調整電路參數，可以明顯改善驅動(dòng)信號的眼圖。相比傳統的經(jīng)驗式定性分析方法，數值仿真技術(shù)可以給出更加準確的電子電路改進(jìn)措施，進(jìn)而提升PCB的可靠性減少故障率。