汽車電子設(shè)備的可靠性概述和測試設(shè)備《汽車電器與電子技術(shù)》

1、汽車電子設(shè)備的可靠性概述和測試設(shè)備汽車電器與電子技術(shù)講義主要內(nèi)容可靠性概述汽車電子設(shè)備的電磁兼容測試設(shè)備與途徑汽車電子設(shè)備的特殊運行環(huán)境與要求惡劣的電磁環(huán)境振動與沖擊粉塵高濕度，涉水高溫、低溫、溫變與散熱有害及腐蝕性氣體誤操作與誤接線汽車電磁環(huán)境移動的電磁干擾接收平臺無法正常接大地功率電器的頻繁啟?；鸹c火單線制，負極搭鐵，車身共地可靠性要求高法規(guī)對汽車電子設(shè)備的電磁兼容限制：不發(fā)射干擾干擾限值對干擾不敏感免疫生命安全生產(chǎn)安全法規(guī)電磁兼容國家標準GB/T 17619-1998：機動車電子電器組件的電磁輻射抗擾性限值和測量方法。對電磁騷擾免疫力作出規(guī)定。GB14023-2000(代替GB1402

2、3-1992)：車輛、機動船和由火花點火發(fā)動機驅(qū)動的裝置的無線電騷擾特性的限值和測量方法。對電磁輻射特牲進行了規(guī)定。GB/T18387-2001：電動車輛的電磁輻射的限值和測量方法寬帶9KHz30MHz。對電動車的電磁輻射作出了規(guī)定。GB 18655-2002。用于保護車載接收機的無線電騷擾特性的限值和測量方法。其他法規(guī)故障現(xiàn)象系統(tǒng)重啟誤動作操作失靈數(shù)據(jù)丟失周期性故障間歇性故障故障原因電路設(shè)計缺陷軟件設(shè)計缺陷：錯誤代碼、容錯生產(chǎn)工藝缺陷：虛焊、接觸不良器件不合格或損壞錯誤操作：反接電噪聲其他：電源VCC不穩(wěn)定、不符合要求的解耦電路、時序混亂汽車電子設(shè)備的電磁兼容電子元件的等效模型電噪聲類型對策

3、1：電流環(huán)（Current Loop）對策2：屏蔽對策3：接地對策4：電源分配與解耦對策5：容錯設(shè)計對策6：ESD汽車電磁環(huán)境車載電子設(shè)備的主要干擾源導線電阻電容電感單片機其他IC二極管三極管瞬態(tài)抑制器電子元件的等效模型電噪聲類型電噪聲又稱電磁干擾(EMI) ，類型有很多種，汽車環(huán)境常見的有：輻射噪聲傳導噪聲靜電放電ESD 地線噪聲輻射噪聲電磁脈沖EMP和射頻干擾RFI。任何能產(chǎn)生電弧或電火花的地方就會向外輻射電磁脈沖(EMP)的射頻干擾(RFI) (此處應補充三種圖片：磁鐵（磁場）、高壓線（電場）、發(fā)射塔（電磁波），以明示3種常見輻射干擾) 作者：2007年11月輻射噪聲雷電電火花電磁波傳導

4、噪聲電源線上的瞬變噪聲線圈L代表電源與負載R1和R2之間導線電感。負載開關(guān)時，感應電勢v=L(di/dt)試圖維持原有的電流。這就叫做“沖激電勢(Inductive Kick)”?！皼_激電勢”是線路上瞬變噪聲的主要原因。V靜電放電ESD人體上累積的靜電電壓可達35KV。靜電放電時的電流脈沖的上升時間極短典型值是4A/ns。圖a是所觀察到的靜電放電的波形。5cm的直導線的電感約為50nH 。根據(jù)公式V=L/(di/dt) ，該導線上產(chǎn)生4A/nS的di/dt只需200V的靜電電壓。地線噪聲地線中的電流也是一種噪聲。例如電源線中的50HZ電流、RF射頻干擾、共享電流返回通路信號線之間的串擾等等。地

5、線噪聲也稱做“接地環(huán)路”問題?！敖拥丨h(huán)路”簡介：源如圖所示，真實大地上不同地點的電位并不相同。如果導線的兩端在不同位置接大地，兩點間的電位差就會導致導線的有電流流過(可達幾A)。如果把這條導線看成是環(huán)路的一部分，圖中的電壓源代表兩地之間的電位差，這就是經(jīng)典的“接地環(huán)路”。推而廣之，該名詞也用于描述地線中不希望出現(xiàn)的(經(jīng)常是沒有預料到)的電流。VCKT1=5VVCKT2=?如果傳輸模擬信號，導致測量不準！如果傳輸數(shù)字信號，導致數(shù)據(jù)錯誤！如何解決？對策1：電流環(huán)（Current Loop）電流從電源正極出發(fā)經(jīng)過負載流回負極所經(jīng)過的路線是一個環(huán)路，簡稱“電流環(huán)”。“電流環(huán)”與干擾源電流環(huán)的形狀決定了

6、它：如何向外輻射EMI；如何受到外來EMI的干擾；如何屏蔽干擾。任何電流的流動都會向外輻射電場/磁場，即向外發(fā)射干擾。若有兩條平行的導線：其中流過的電流分別是+i和-i，在導線的附近，某個給定點到兩條導線的距離明顯的不同，則兩條導線產(chǎn)生的磁場強度在該點不為0；對于相對較遠距離的點，該點到兩條導線的距離可以認為相等時，兩條導線所產(chǎn)生的磁場將相互抵消。結(jié)論：維持輸出與返回通路盡可能靠近就是減小它們干擾其他信號的最重要方法。XX“電流環(huán)”與抵御干擾其次，由于從電流環(huán)A到電流環(huán)B的互感等于從電流環(huán)B到電流環(huán)A的互感。可以得出結(jié)論：一個電路如果不向外輻射干擾的話，它同時將不受到外界的干擾?！半娏鳝h(huán)”的啟

7、示與結(jié)論因此，從減小EMI發(fā)射以及減小對外界EMI干擾的敏感性兩個角度出發(fā)，最重要原則就是：保持環(huán)路面積盡可能的??！這也相當于要求電路的電感最小。 實例元器件的尺寸、電子設(shè)備的尺寸、單片系統(tǒng)、片上系統(tǒng)SOC。對策2：屏蔽有三種類型的屏蔽：容性耦合的屏蔽、感性耦合的屏蔽以及RF(射頻)屏蔽。容性耦合屬于電場耦合，所以屏蔽容性耦合也就是屏蔽電場，實現(xiàn)電場屏蔽要相對容易。感性耦合屬于磁場耦合，所以屏蔽感性耦合也就是屏蔽磁場，實現(xiàn)磁場屏蔽要略為困難一些。要實現(xiàn)RF屏蔽，就得采用能屏蔽各種電磁場的經(jīng)典“金屬罩”，這也是多數(shù)人在想到屏蔽時所想到的。其屏蔽效果部分地依賴屏蔽材料的選擇，但如果它有開口的話，卻

8、主要依賴于其開口的處理及開口的幾何形狀。 感性耦合（磁場屏蔽）的屏蔽1磁屏蔽可使用鐵磁材料制作電子設(shè)備外殼時。當殼外有磁場時，鐵磁材料的高導磁率就將絕大部分磁感應線（即磁場）導入殼體材料中，而進入殼內(nèi)空腔的磁場降到最低值。 靜磁場是穩(wěn)恒電流或永久磁體產(chǎn)生的磁場。靜磁屏蔽是利用高磁導率的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場。它與靜電屏蔽作用類似而又有不同。靜磁屏蔽的原理可以用磁路的概念來說明。如將做成截面如圖7的回路，則鐵磁材料在外磁場中，絕大部份磁場集中在鐵磁回路中。這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯(lián)磁路來分析。因為鐵磁材料的磁導率比空氣的磁導率要大幾千倍，所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，

9、外磁場的磁感應線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過，而進入空腔的磁通量極少。這樣，被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒有外磁場，從而達到靜磁屏蔽的目的。材料的磁導率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈顯著。因常用磁導率高的鐵磁材料如軟鐵、硅鋼、坡莫合金做屏蔽層，故靜磁屏蔽又叫鐵磁屏蔽。靜磁屏蔽在電子器件中有著廣泛的應用。例如變壓器或其他線圈產(chǎn)生的漏磁通會對電子的運動產(chǎn)生作用，影響示波管或顯像管中電子束的聚焦。為了提高儀器或產(chǎn)品的質(zhì)量，必須將產(chǎn)生漏磁通的部件實行靜磁屏蔽。在手表中，在機芯外罩以軟鐵薄殼就可以起防磁作用。前面指出，靜電屏蔽的效果是非常好的。這是因為金屬導體的電導率要比空氣的電導率大十幾個數(shù)量級，而

10、鐵磁物質(zhì)與空氣的磁導率的差別只有幾個數(shù)量級，通常約大幾千倍。所以靜磁屏蔽總有些漏磁。為了達到更好的屏蔽效果，可采用多層屏蔽，把漏進空腔里的殘余磁通量一次次地屏蔽掉。所以效果良好的磁屏蔽一般都比較笨重。但是，如果要制造絕對的“靜磁真空”，則可以利用超導體的邁斯納效應。即將一塊超導體放在外磁場中，其體內(nèi)的磁感應強度B永遠為零。超導體是完全抗磁體，具有最理想的靜磁屏蔽效果，但目前還不能普遍應用。感性耦合的屏蔽2感性耦合：當磁通密度為B的外部磁場干擾入侵到受害的電路時，在環(huán)路中感生出一個電壓，電壓的大小可依據(jù)倫茲定理求出：v=-NA(dB/dt)。這里：N=1，A表示受害電路中電流環(huán)路的面積。依據(jù)公式

11、，有兩種減小干擾的方法：第一種方法是減小干擾源的場強，可以通過減小干擾源的電流環(huán)的面積，增加磁場的相互抵消作用。與”電流環(huán)”原理相同。另一種方法是減小受害電路電流環(huán)路的面積，從而減小其對感性干擾的敏感性，因為根據(jù)Lenz定理，感生電壓正比于電流環(huán)路的面積。這兩種方法都牽涉到同樣做法：減小電流環(huán)路的面積。減小了電路的發(fā)射干擾的能力也就是減小它接收干擾可能性。感性屏蔽實例 同軸電纜雙絞線對接地平面網(wǎng)狀PCB 同軸電纜屏蔽層所流過的電流與中心導體中流過的電流完全相同。在屏蔽層內(nèi)部，由中心導體中電流+I所產(chǎn)生的磁場完全被屏蔽層中電流-I所產(chǎn)生的磁場抵消。在電纜的長度范圍內(nèi)，該電纜不向外輻射任何磁場，效

12、果十分理想，同時它也能完全抵御外來的磁場干擾。因此該同軸電纜給電流環(huán)路增加的有效面積為0，但只有當屏蔽層中的電流與中心導體中電流完全相等時才是如此。同軸電纜-一端接地一端接地（圖a）：電流從中心導體流出，而后從公共的地連接返回。環(huán)路的面積難以確定。此時，屏蔽層不僅沒有攜帶與中心導體相同的電流，反而是不攜帶任何電流，因此不具有任何的磁場抵消功能。這樣的屏蔽無論是在發(fā)射EMI干擾還是在接受EMI干擾方面均無任何屏蔽效果。(但仍然具有靜電屏蔽的效果)同軸電纜-兩端接地兩端接地(圖b)：屏蔽層所攜帶的返回電流多少依賴于所傳信號的頻率。一般而言，電流環(huán)會沿著最低阻抗的路徑流動。對于較低的信號頻率，從0H

13、z到幾kHz，電感不明顯，電流會選擇較低電阻的回路流動。對于幾kHz以上的信號頻率，電感起主導作用，電流會選擇較低電感的回路流動。低電感回路即是面積最小的回路。因此，對于高頻信號，屏蔽層能攜帶幾乎與中心導體相等的電流，從而能有效避免發(fā)射EMI干擾以及受到外界的EMI干擾。 同軸電纜使用光耦光耦可以在切斷接地環(huán)路的同時，卻仍然保持同軸電纜的屏蔽有效性如圖。光耦的作用就是設(shè)計一個不用接地的信號源，這樣電纜端部也不用接地，屏蔽層與中心導體流過的電流仍然相同。很明顯，如果信號源不接地，則不需要光耦。 雙絞線對 縮小環(huán)路面積的廉價方法是讓輸出與返回導線緊密相鄰。即“雙絞線”的原理，這種方法給環(huán)路增加有限

14、的面積。但由于以下原因，雙絞線的實際效果幾乎和同軸電纜一樣出色：首先，實際的同軸電纜并非象理想的那樣。如果每一段電纜的屏蔽層上的電流不是均勻地分布在中心導體的周圍，那么在屏蔽層外部的磁場就不能完全相互抵消。即同軸電纜給電流環(huán)路所增加的有效面積不為0。其次，對于這種廉價的方法，輸出與返回兩條導線可以相互扭絞在一起。這樣不僅保證了它們能緊密相鄰，而耦合到兩條導線上的噪聲能相互抵消。因此，“雙絞線對”在抵御感性耦合方面和同軸電纜一樣的好。但是，雙絞線對不能提供靜電屏蔽。 地平面當涉及到較多的電流環(huán)時，縮小環(huán)路面積的最好的方法就是使用一個地平面。地平面是指一個能做為電路中所有電流返回通道的導電平面。通

15、常情況下，它可能是多層PCB板的一層或幾層。電路中所有接地點不再與PCB板中接地導線相連，而是直接連接到地平面。這就讓電路中的電流環(huán)路自由地選擇回路從而得到最小的環(huán)路面積(這時對所有頻率的信號，接地的阻抗主要是電感。)。如果某條信號線的輸出路徑是迂回地通過PCB板，則其在地平面上的返回路徑絕不會迂回曲折，因為這樣能減小了由電流環(huán)產(chǎn)生的磁場貯能。磁通減小就意味著減小了有效環(huán)路面積，和降低了對電感耦合的敏感性。 網(wǎng)狀PCB接地層帶地平面的多層PCB較貴，另一種方法是使用網(wǎng)狀PCB。雙面PCB中，將水平地導線布置在PCB板的某一面并將垂直導線布置在PCB板的另一面，以便于信號線與電源線的布置。當水平

16、地線與垂直地線空間交叉時，用通孔將它們連結(jié)。這樣做“電流環(huán)”面積仍然較大，但這些微小的接地環(huán)路對外來噪聲敏感度降低了。在縮小環(huán)路面積方面，網(wǎng)狀PCB接地幾乎與接地平面一樣出色。這樣就以低成本方法得到了一個十分優(yōu)化的電流分布方案。 射頻干擾的屏蔽時變的電磁能產(chǎn)生時變的磁場，反之亦然。在遠離時變電磁場輻射源的地方，電場與磁場幅度的比值總是377歐。但是，在靠近電磁輻射源的地方，這個比值卻變化很大，并且與其自然特性有關(guān)。比值接近377歐的地方稱之為遠場，相反則稱之為近場。比值E/H又稱為“波阻抗”。與干擾源距離小于1/6波長的范圍屬于近場。對于 1MHz，近場的半徑約45米 ，對于10MHz的信號,

17、近場的半徑約為米；在近場內(nèi)，RF干擾可只用考慮E-場(容性)耦合或H-場(感性)耦合問題，這也將影響到RF屏蔽措施的選擇以及判斷某個RF屏蔽措施是否有效。 在鞭狀天線的近場，E/H比值大于377歐，也就是說它主要發(fā)射E-場(電場) ；在環(huán)狀天線的近場，E/H比值小于377歐，也就是說它主要發(fā)射H-場(磁場)。所有的電流環(huán)都是環(huán)狀天線 。 RF屏蔽原理RF屏蔽的原理是EMI會在屏蔽網(wǎng)中感應出電流，這種感應電流通過兩種途徑消耗其能量：其一是以I2R形式消耗在屏蔽材料中，也叫“吸收損失” ，原理與H-場相同；其二是EMI的反射，又稱“反射損失”，原理與E-場的相同。由于反射損失是發(fā)生在屏蔽層表面的現(xiàn)

18、象，因此與屏蔽材料的厚度無關(guān)；這兩種途徑的能量都來自于入侵的EMI干擾，因此，電磁干擾在穿過屏蔽層時被減弱。RF屏蔽箱體材料的選擇銅與鋁具有相同的磁導率，但銅比鋁的導電率大一些，所以對E-場的反射效果要好一些。但鋼的效果要差一些；根據(jù)H-場的吸收損失公式可知，如果使用高導磁性和高導電性質(zhì)的材料，則對高頻的H-場屏蔽效果較好。在實際中若選用鋼鐵材料作屏蔽，導磁性上升，導電性能卻下降，但在導磁性能方面的增長卻遠遠大于在導電性能方面的下降；通常的做法是用鋼鐵作屏蔽材料，而不用考慮昂貴的反射屏蔽，可能比鋼鐵材料導電性能好的材料貴不了多少，但此時卻不如鋼鐵的效果好。RF屏蔽箱體開孔選擇屏蔽材料的重要性遠

19、遠不如屏蔽殼體的某些物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，如殼體上的開孔、柵格及拼接等。其機理與屏蔽材料中電流的流動有關(guān)，即電流必須能夠自由流動。如果屏蔽材料中的電流不得不繞過材料上的孔和縫流動，如圖所示，則屏蔽效果將大打折扣。對策3：接地地的種類大地安全地信號地實際應用中接地編織電纜“地”的種類有兩種類型的“地”：大地和信號地。大地大地（“地球”）并非一個等電位的平面，其電位是變動的。所以電子設(shè)備并不將大地作為電流的返回通路。安全地為了防止電擊，一般的電路均設(shè)計了保護接地，也稱“安全地”。右圖是一個標準的單相3線交流供電系統(tǒng)。白色導線在電源入口處接大地，如果負載電路有金屬外殼或框架，且如果黑色導線意外地與外

20、殼短接，將會給操作人員帶來電擊的危險。如果外殼接大地，就沒有這種危險。短路會造成保險絲熔斷，而不會導致設(shè)備外殼帶電。這種接大地的地被稱為“安全地”。這種三線供電系統(tǒng)的好處是提供了一條“安全地”導線。信號地信號地是電路中作為參照的點。通常與該點相連的導線也稱作“信號地”。在某些系統(tǒng)中，這類導線被稱作“電源公共端”或簡稱“PSC”。在任何情況下，這類導線連接到實際參考點的方式是區(qū)別以下三種接地的依據(jù)：串聯(lián)接地并聯(lián)接地多點接地 三種基本接地方法串聯(lián)接地以其簡單和經(jīng)濟的優(yōu)點使用較廣，但是它是三種接地方法中干擾噪聲最大的，其原因是電路之間通過公共的接地阻抗相互耦合；并聯(lián)接地法消除了公共接地阻抗的問題，但

21、需要較多的接地導線；在多點接地系統(tǒng)中，采用一個接地平面，且各電路模塊通過很短的接地導線與其連接，從而減小了公共接地阻抗。實際應用中的接地如果需要同時考慮經(jīng)濟性和電氣性能，則可以綜合串聯(lián)接地和并聯(lián)接地的方法。其思路是：對于具有相似噪聲特性的電路，采用串聯(lián)接地法，然后再按并聯(lián)接地法連接到參考點。1、噪聲特性相似的電路，內(nèi)部采用串聯(lián)接地法2）高噪聲與大電流電路信號地1）低噪聲電路信號地3）實際地2、并聯(lián)接到參考點3、連接到安全地接地練習鐵制機柜鐵制控制盒殼低噪聲電路高噪聲電路信號地并聯(lián)箱體用銅帶連接到安全地，以防電擊并聯(lián)匯集到電源地連接到安全地線金屬殼體對電場干擾（容性耦合）、射頻干擾有一定的屏蔽作用信號放大、濾波等模擬電路屬于低噪聲電路，同性質(zhì)電路可串聯(lián)數(shù)字電路、開關(guān)/繼電/電機等通常屬于高噪聲電路，同性質(zhì)電路可串聯(lián)請思考：如何設(shè)計接地線路？錯誤的接地線設(shè)計信號地與安全地不恰當串聯(lián)低噪電路與高噪電路不恰當串聯(lián)編織電纜采用編織電纜可以很好地消除接地阻抗，其原因是減少了趨膚效應：在高頻情況下，電流傾向于沿著導體的表層流動，并非均勻地分布在導體的整個截面。這種效應使得導體阻抗增加，同時也指示出減小阻抗的方法，即控制導體截面的形