電磁物理環境

電磁物理環境是對汽車電子裝置最具威脅的工作環境，其主要原因是汽車電系存在著不穩定的電源電壓、各種形式的電路瞬變過電壓及強輻射的電磁波等，對工態下的汽車電子裝置產生干擾。

⑴ 電源電壓異常

工態下，汽車足靠蓄電池與發電機并聯供電，以標稱電壓為12V的汽車電系為例，正常電壓一般為10~16V，但是電源常出現超過此電壓范圍的異常電壓。•當部分虧電的蓄電池在低溫下起動時，其端電壓可能降到7V左右。•當發電機調節器發生故障，激磁電流不經過調節器而直接加到激磁繞組上時，可使發電機輸出電壓上升至18V。若此18V電壓對蓄電池充電，可能導致蓄電池電解液沸騰，蓄電池端電壓可能上升到70V以上。•汽車在修理過程中，若誤將蓄電池極性接反，致使電路承受-12V電壓等。

對于上述這些異常電壓的出現，要求汽車電子裝置不至被損壞，工作的可靠性不至受到嚴重影響。

•為此一方面要在電路設計上采取相應措施，減少異常電壓出現，并限制其電壓波動幅度；

•另一方面要提高電子裝置耐異常電壓能力，并在汽車電子裝置裝車前應作異常電壓試驗。

表9-6是美國SAE推薦的異常電壓允許值。

電路瞬變過電壓

汽車電系內由于存在大量的電感元件，在換路瞬間，這種儲能元件所產生的電磁感應現象會在部分電路中出現瞬時高電壓。

•這種瞬時電壓都具有脈沖性質，且能量較大，可能導致部分電路功能失常，甚至使某些元器件永久性損壞。

-電路瞬變過電壓的類型很多，但可規范為發電機拋負載、電感負載斷路、激磁衰減及電磁耦合等四種方式，它們對電路形成的電壓沖擊亦具有式(9-2)所示的逆冪律性質。-表9-7是SAE推薦的汽車電子產品耐這類瞬變過電壓的試驗條件。

⑶ 電磁干擾（EMI）

-汽車電子裝置工態下除受上述異常電壓和瞬變電壓的干擾之外，還面臨看來自車內外的各種電磁波的輻射干擾，它們也在不同程度地影響著電子裝置的正常工作。

汽車電磁干擾源分析

現代汽車的車載電子裝置越來越多，汽車電系已成為強電與弱電交叉、機械與電子一體化的典型產物，使得來自汽車內、外的電磁噪聲對車載電子裝置形成電磁干擾。

相對而言，車內的電磁干擾源對車載電子裝置工作的可取性影響較大，本節特論述車內幾個主要的干擾源形成機理及其特征。

-來自汽車外部的電磁噪聲源主要有：雷電、雷達、電臺用無線電發射機、高壓輸電線的電暈放電、熒光燈的輝光放電、探照燈的弧光放電及其它車輛、飛機、艦船發動機點火等，這些噪聲源產生的電磁躁聲以電磁波的形式對汽車電系形成輻射干擾。-來自汽車內的電磁噪聲源主要有：發動機點火、各類開關觸點之間的間隙放電、電路瞬變、電磁耦合及靜電放電等，這些噪聲源所產生的電磁噪聲。-一部分在汽車電系內通過導體及器件傳播，對車內敏感的電子器件形成傳導干擾，另一部分向空間輻射，對車外的電磁環境產生污染。

供電系電磁干擾源

汽車供電系存在著電源異常電壓，電路瞬變過電壓及開關觸點間隙火花放電等電磁干擾源，其中電路瞬變過電壓主要發生于發電機拋負載和發電機磁場突然衰減時。

⑴ 發電機拋負載瞬變

-發電機在正常工作時，若負載突然減小或完全無負載，則發電機由于輸出電流急劇下降，在發電機電樞繞紅上產生正向瞬變過電壓，其等效電路如圖9-2所示。

圖中發電機被等效為一個電感L和電動勢E的串聯電路，負載則等效為支路電阻R1和R2并聯，發電機輸出電流RL＝I1+I2。

•設R2為被拋的大負載，即R2<<R1，I2>>I1。

當開關K突然斷開時，電路換路引起電流IL產生瞬變.

•在負載Rj上產生的過電壓為：

•發電機電樞統組上的感應電流為：

-顯然，發電機拋負裁瞬變電壓UL，是一個正向指數脈沖電壓，其前沿較陡(約50—100us)，后沿按指數規律下降，衰減時間約150—350ms。-拋負載瞬變電壓的幅值主要決定于拋負載程度，即R1／R2比值的大小，通常可達75~125V。-最嚴重的拋負載瞬變發生于發電機滿載運行時與蓄電池的連接斷開狀態下拋負載，此時電樞繞組上產生較大的能量泄放，對R1支路上的電子器件形成較強的沖擊，必須設法使其安全泄放。

⑵ 激磁衰減瞬變

-當發電機激磁繞組電路故障開路，或因點火開關斷開切斷激磁電流回路時，在激磁繞組上將產生磁場衰減瞬變過電壓。•此瞬變過電壓為一負向指數脈沖，脈沖的幅值取決于換路瞬間的電路及調節器狀態。其幅值可達120V左右，前沿約5-10ms，衰減時間約200ms，對調節器中的敏感器件構成威脅。

汽車內部最強的電磁干擾源是點火系。汽車發動機點火時，點火線圈初次級瞬變電壓很高，對車載電子裝置產生很強的傳導干擾。同時，由于火花塞電極放電強烈，對周圍的空間形成很強的電磁輻射。

汽車點火系等效電路如圖9-3所示。

•I1為觸點閉合時點火初級繞組電流觸點斷開時，I1上升到IP；

•I2是觸點斷開后點火次級繞組的放電電流，IL為初級繞組剩余磁場形成的電感放電電流；•IC為次級高壓回路分布電容形成的電容放電電流；

•觸點斷開后I2＝IL+IC。在初次級線圈產生高壓：

斷電器觸點打開瞬間，初級繞組感應電壓幅值可高達300V以上，前沿約60us，脈寬約300us。此瞬變電壓若無有效的抑制措施，勢必對初級電路中的電子器件構成威脅，甚至通過信號線對其它系電子裝置的正常工作形成傳導干擾。

斷電器觸點打開瞬間，次級繞組感應電壓幅值可高達25kv以上，形成足夠的點火電壓和點火能量，使火花塞電極間隙擊穿，產生強烈的火花放電。在高壓放電回路中形成陡峭的放電電流I2，此放電電流由IL和IC組成，其中IC數值大時間短，IL數值小而時間長，并伴隨有高頻振蕩。þ火花放電將產生約0.15~1000MHz的寬帶電磁波，對車內及車外數十米以內的電子裝置的正常工作產生強烈的輻射于擾。

汽車電系內存在著大量的感性負載，如各種電動機、繼電器、電磁閥、電喇叭等，其線圈在開路瞬間，都會成為一種寬頻譜、大能量的瞬變干擾源。

這種瞬變脈沖不但具有浪涌性質，而且具有豐富的諧波，可能引起電子控制系統的邏輯錯誤，甚至導致部分敏感器件或固體組件的損壞。

圖9-4是模擬感性負載開路瞬變的等效電路及其反向瞬變脈沖電壓的波形圖。

當繼電器觸點J打開時，原負載RL上的電流被突然中斷，在電感兩端產生反向瞬變電壓，其峰值可達工態直流電壓的幾十倍，并向線路的分布電容CP充電，形成RLC串聯振蕩電路。

汽車電系內分布有大量的觸點，它包括開關觸點、繼電器觸點、整流子電機的電刷與整流子間觸點等。這些觸點都是用來通斷電流的，但在其要開未開、或要閉未閉瞬間，都會產生程度不同的火花放電現象。

這種觸點間放電能量雖然比火花塞電極放電能量小得多，但其放電瞬間的能量密度通常可達到造成危害的程度。

圖9—5是模擬串激式直流電動機開關觸點干擾源，這里的觸點K指的是電刷與整流子問間隙觸點。電動機旋轉時，此觸點K不斷地接通和斷開，電機繞組中的電流斷續變化，從而產生瞬變電流和電壓，此瞬變電壓反作用于電源電路，在電源引線電感LP和電容CP上形成陡峭的高頻振蕩沖擊電流和電壓，

沖擊電壓峰值可高達上千伏，衰減振蕩，振蕩頻率約0.1~500MHZ。

初始脈沖的前沿只有幾個納秒。

這種火花放電和高頻振蕩不但產生輻射干擾，同時可通過電源線對其它電路產生傳導干擾。

靜電產生的機理是兩種不同物質相互摩擦時，會在兩物體間引起電子及離子的移動，其結果，使得兩物體的表面分別帶上正電荷和負電荷，稱其為靜電。

汽車在行駛時，車輪與地面的摩擦、車身與空氣的摩擦、氣流與氣管壁的摩擦、機架與支承間的摩擦、乘員衣服與座墊間的摩擦、工作服與內衣間的摩擦等，都可能是靜電干擾源。

靜電電量很小，一般為1mC以下。但靜電電壓很高，最高可達上萬伏。

表9—9為質地不同的工作服與內衣摩擦時人體所帶靜電電壓值。如此高的靜電電壓必然產生靜電放電，靜電放電火花及瞬時放電電流將產生電磁輻射和傳導于擾。

電磁耦合干擾源

汽車電系內存在著大量的成束包扎的導線及多點搭鐵的地回路，較長的無屏蔽配線及搭鐵阻抗在汽車電系內產生磁感應耦臺和電容耦合。

耦合噪聲電壓最高幅度可達200V以上，持續時間可達300ms，對部分電子裝置工作的可靠性產生干擾。尤其對車載電子儀器和儀表的正常工作影響較大。-平行兩根導線，電磁耦臺噪聲電壓：

L－長度，d－中心距離為

M－兩導線間的互感

IN－噪聲電流，fN－噪聲頻率

兩導線電磁耦臺噪聲電壓為同時由于多點搭鐵形成共同的阻抗通道，當一條導線上的電流通過共阻抗通道時，也會在另一條導線上產生共阻抗耦合干擾。