重型车辆快插式滤波器设计

林 森，雒 拓，尹 航，周元豪

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

重型车辆在电控化的发展过程中涌现出多种类型的电子设备，然而车辆类产品电磁兼容设计发展缓慢，导致这些电子设备在定型时未考虑电磁兼容性，组装成系统后与其它电子设备产生不兼容现象，尤其在高压电驱动的车辆上尤为突出。重型车辆各类控制器分布位置分散，使用线束较长（2~10m以上），线束长度与控制器工作频率可以比拟，成为了一些信号的发射天线，对外产生辐射。由于车辆电器件布置关系，车辆一旦装好，整改难度将成倍增加。

汽车电子设备的电路功能趋于复杂，PCB上元器件的布置密集紧凑，接口部分既有模拟信号又有数字信号，在设计阶段如果对EMC考虑不足，将导致辐射能量从接口通过线缆发射到空间中，引起辐射发射试验项目不能通过。图1是控制器结构示例，如果接口滤波电路在设计时没有被考虑，处于缺失状态，将导致PCB上信号线产生的辐射通过PCB信号线→连接器→线缆辐射到外部空间。

图1 电子控制器结构图

基于以上分析，从电磁干扰的3要素（干扰源、干扰途径和敏感设备）进行分析，从干扰源（电子控制器）进行电磁波的抑制是解决问题的最有效手段。如图1所示，如果控制器设计有接口滤波电路，将减少PCB信号线→连接器→线缆辐射的能量，同时遏制外部干扰信号通过线缆→连接器→PCB信号线方向的传递，减少对PCB内部电路工作的影响。车辆使用的电子设备基本为外购件，这些设备在功能和应用上也趋于成熟，但是由于未考虑电磁兼容设计，导致这些电子设备功能强大，但电磁性能较差，在整车进行电磁兼容试验时，辐射发射不能通过，抗扰性较差，达不到国家标准相关要求。如果在已装配好的车辆上进行整改，涉及电子模块拆装，更换线束，难度都将增大，因此预留快插式滤波器是整车设计时的必要手段。

1 车辆电磁兼容标准要求

面对日益复杂的电磁环境，国内外均制定了电磁兼容标准对车辆和零部件进行合格性判定。中国在军用和民用领域也制定了相关标准对发射和抗扰进行控制。表1为整车及电子部件法规要求。

表1 车辆及电子部件法规标准

从车辆和电子部件国家标准中可以看出，标准对整车和电子部件设有发射和抗扰性指标，因此在整车和电子部件设计时应同时考虑发射和抗扰性。

2 快插式滤波器方案设计

2.1 方案概述

通过设计一种快插式滤波器，该滤波器将车辆常用成熟插接件与滤波元件集成化处理，形成一体化滤波插接器，使用时与预留在线束终端的插接器进行快速对插，可并联或串联于电路中，达到滤波功能。快插式滤波器可制作成电容型、电感型、磁珠型等以满足不同信号的需求，同时可制作成普通型和防水型用于驾驶室和底盘。快插式滤波器安装示例如图2所示。

图2 快插式滤波器安装位置

2.2 方案详细设计

将插接器、滤波元件和封装材料进行组合，通过对信号引脚参数进行分析，选用合适的滤波元件，对潜在的干扰频率进行滤波，达到降低辐射和提高抗扰的能力。表2为滤波器阻抗匹配方法。

表2 车滤波器阻抗匹配方法

图3为快插式滤波器，图4为控制器线路预留快插式滤波器对插端示意图，图5为控制器安装完快插式滤波器示意图。

图3 快插式滤波器设计图

图4 控制器预留快插式滤波器对插端

图5 安装完成后的快插式滤波器

2.3 方案效益评估

1）快插式滤波器不影响电路的正常功能，方便拆装，实现了电器接口的滤波功能，降低信号间的串扰和辐射特性，增强电器之间的相容性。

2）实现了防尘防水设计，可应用于驾驶室和底盘，降低选型和安装难度。

3 快插式滤波器应用及试验

3.1 滤波器设计应用

通过对电子控制器接口电路进行分析，查看是否在重要信号线上进行了滤波处理，对已进行滤波的信号，可在接口处预留一种滤波方案，比如电容滤波或磁珠滤波等。如果接口电路未预留任何滤波措施，则接口处应预留较复杂滤波方案，比如Π型滤波、T型滤波。滤波器的选型计算很重要，参数主要涉及电压、电流、频率、温度、封装等。滤波电路不能对接口信号品质有本质影响，应根据实际接口电路、信号特性进行设计，不能简单进行复制。以电容为例，理想的电容容量越大，容抗就越小，滤波效果越好，但是电容存在寄生电感，容量大，寄生电感也大，自谐振频率越低，对高频噪声去耦效果越差。图6为电容频率阻抗特性曲线，阻抗|Z|与频率关系见以下公式。

图6 电容在频域下的阻抗曲线

在谐振频率f0上，L和C串联将产生振荡，提供低的阻抗，在谐振点以上的频率，电容呈现感性，将不再起旁路和去耦的作用。图7为部分快插式滤波器实物示例，应根据产品特性对插接器和滤波元件进行选型。

图7 快插式滤波器示例

3.2 滤波器试验验证

图8为某控制器的辐射发射试验照片，试验中接入功率负载灯具模拟实际使用情况。

图8 控制器整改对比测试

图9为辐射发射10kHz~30MHz测试曲线。由于本控制内部接口均有滤波电路，因此试验时超标问题不严重，超标点为电源噪声引起，见图9a。对电源线使用快插式滤波器处理后试验通过，见图9b曲线所示。

图9 快插式滤波器整改案例

4 结论

通过使用快插式滤波器解决了车辆电磁兼容整车试验时不能通过的现象。使用正确的快插式滤波器，弥补了电子模块内部接口电路滤波方案设计的不足，减轻了车辆整改难度和更换线束带来的成本增加和项目拖期问题，应作为车辆前期开发时重点设计对象。