前言：

ECU的车规级试验：DV试验（五：气候及防护、化学标准及测试）已发布

本文内容较多，建议大家收藏阅读。

本文目录如下：

1.车辆的电磁环境介绍

1.1干扰与抗干扰   

1.2信号频段介绍

2.传导介绍

3.辐射介绍

4.传导及辐射干扰产生的原因

5.EMC标准简介

5.1干扰（骚扰）/发射

5.2抗干扰

#01

车辆的电磁环境介绍 

ECU作为车载电子模块，所面对的电气及电磁环境是极其复杂的，电气环境包括地漂移、欠压、过压及反压等，这些在之前的文章已做过介绍。电磁环境包括辐射、传导及静电放电ESD等。为满足这些环境要求，电子模块的设计及测试将面临一系列的挑战。

人们根据应用经验对电子模块的车载应用环境条件进行了总结，制定了相应的电子零部件行业测试标准；基于这些行业标准，不同的OEM又根据自己的车辆应用环境特点制定了相应的企业标准；同时，电子模块供应商也根据自己的经验对电子零部件制定了相应的设计方法与测试方法。

1. 干扰与抗干扰 

车辆电磁环境及设计（来源：左成钢《广义车规级》）

现代车辆通常具有50个以上的电子模块以及几十个灯泡、电机、电磁阀、电磁继电器等设备，电子设备几乎成为了现代汽车的代表。这些电子模块及电子设备在为用户带来了更多的舒适性、科技性及安全性的同时，也在工作中不断地产生各种各样的干扰信号，这些干扰信号或者通过导线传导，或者通过电磁辐射对车辆其他零部件及车辆周边环境产生干扰。

因为电子模块对电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)都很很敏感，对于电子零部件来讲，一方面要求不对外产生干扰信号，另一方面需要对干扰信号具有一定的抵抗能力，保证在一定强度的干扰信号下依然能够正常工作。也就是说，对于设备自身产生的干扰信号必须被限制在设备内部，而不能通过传导或辐射的方式发射出去对其他设备造成干扰，抗干扰也是同样的道理，一方面需要尽量阻止外界的干扰信号使其不能进入设备内部，一方面提高对各种干扰信号的抵抗能力。

总的来说，对于干扰信号和抗干扰能力总结起来就两个字：疏和堵。

1) 针对传导干扰信号，疏可以用电容，TVS管等设计让干扰信号通过地从端口走掉，不要跑到设备内部电路中或者车辆的其他线路中去。

2) 对于辐射干扰信号，疏可以采用各种屏蔽及抗辐射措施，使干扰信号发生反射，不要进入到零部件内部电路中来。

3) 针对传导干扰信号，堵就是用磁珠，电阻，共模电感等设计让外部干扰进不来，或者在干扰进来后将其消耗掉，同时内部干扰信号也跑不出去。 

4) 对于辐射干扰信号，堵就是屏蔽及抗辐射措施，让外部干扰进不来，同时内部干扰信号不会跑出去。

2. 信号频段介绍 

车辆产生电磁干扰的原因多种多样，既有正常工作情况下不可避免产生的，也有在故障情况下产生的。这些干扰信号的频率分布范围很广，国家标准对零部件EMC测试在频率范围方面的要求如下表所示，从表中可见，无论是干扰还是抗干扰，频率范围都是很宽的。

国家标准对零部件EMC测试在频率范围方面的要求（来源：左成钢《广义车规级》）

车辆的电磁环境从传输路径上可以分为两类：传导和辐射，所以在介绍电磁环境时，从辐射与传导的角度介绍会较容易理解。下面我们先介绍传导。

#02

传导介绍

传导相较辐射更容易被理解，传导信号也更容易被感知及测量。同时，在实际的汽车电子设计、测试及应用中可以发现，传导总是和辐射相伴相生。也就是说，如果一个设备的抗传导干扰能力很强，那么其抗辐射干扰能力通常不会太差；而如果一个设备的传导干扰很严重，其辐射干扰通常也会超标。其实原理也很简单，无论辐射还是传导干扰，其干扰源通常都是同一个，辐射和传导只是其不同的对外干扰路径而已，而EMC测试中的整改通常也是围绕着寻找干扰源和切断干扰路径来展开的。   

从另一个角度来说，搞清楚设备需要的抗传导干扰能力，就可以从设备需要具有的抗干扰能力方面了解到车辆上都真实存在哪些传导干扰信号，以及这些干扰信号的特性，因为抗传导干扰能力就是基于车辆上存在的传导干扰信号的特性进行要求和设计的。

传导干扰直接产生于线束，一般由感性负载，比如电磁阀、螺线管、发电机等产生，可能作用于电源线，也可能作用于信号线，如下图所示：

车载环境的电磁传导干扰示意图（来源：左成钢《广义车规级》）

传导干扰试验的汽车行业国家标准是GB/T 21437，相应的国际标准是ISO 7637。需要注意的是，ISO 7637-2:2011相较ISO 7637-2:2004，新标准中删除了脉冲4及抛负载5a和5b，脉冲4被放到了ISO 21848:2005,MOD中（对应国标是GB/T 28045-2011，道路车辆 42V供电电压的电气和电子设备 电气负荷），在此略过不谈。抛负载脉冲的试验规定被放在了ISO 16750-2:2012（国标是GB/T 21437.2-2021）中，5a变成了试验脉冲A(Pluse A)-无集中抛负载抑制，5b变成了试验脉冲B(Pluse B)-具有集中抛负载抑制。抛负载（Load Dump）脉冲在作者新书《广义车规级》4.3.2小节有做过详细介绍。

对汽车电子零部件的设计开发及测试来讲，通常谈的最多的就是相应标准的第二部分，也就是沿电源线的电瞬态传导发射和抗扰性，以及抛负载，如下表所示。   

标准对12V系统传导干扰相应脉冲参数的规定及解释（来源：左成钢《广义车规级》）

其实各个标准在介绍测试要求的同时，通常会先介绍为什么要进行这个测试，车载环境到底是什么样的，测试的背景是什么，以ISO 7637-2为例，标准中详细介绍了每个脉冲产生的原因。如3号脉冲3a和3b为例，标准的介绍为：

汽车电子系统中各种开关、继电器开启或者关闭的过程中，以及熔断器在熔断时，由于电弧所产生的快速脉冲群，这些瞬态现象的特性受线束的分布电容及分布电感的影响。3a或者3b中波形的极性是由于系统连线的分布电感以及电容造成，3b多由于电动门窗的驱动单元、喇叭或者是中控门锁系统。

所以我非常推荐大家看标准，并且要多看，常看，反复看，标准不仅会告诉我们产品需要怎么测试，怎么Setup，还会顺便告诉我们车载电子环境，以及产生此环境的原因。

#03

辐射介绍

其实自然界中处处都充满了电磁波与电磁辐射，光就是最常见的一种电磁波，太阳光中可见光的波长范围为400nm～760nm，而自然界中的辐射更是随处可见，自然界中的一切物体，只要温度在绝对零度以上，都在不停的对外发射电磁辐射。  

对于汽车电子零部件来讲，只要外界的电磁辐射在一定限值之内都是无害的，同时，只要零部件自身产生的电磁辐射在一定限值内，对外界或其他汽车零部件也是无害的。但对电子零部件的车载应用来讲，实际情况要复杂得多。正常情况下，车载环境的电磁辐射干扰通常是由于大电流的开关产生的，比如继电器切换、MOSFET/IGBT开关、启动系统等，这些电路产生的电磁场会直接影响到靠近干扰源的线束或者电子电气模块，如下图所示。

车载环境的电磁辐射干扰示意图（来源：左成钢《广义车规级》）

有些电磁波是车辆正常工作需要的，比如遥控钥匙发射的射频信号，而有些电磁波信号则是车辆正常工作时必须接收到的，比如无线广播信号、GPS信号、遥控钥匙的射频信号、影音娱乐系统的蓝牙信号等，总的来说： 

1) 对于必须发射信号的设备，必须限制其发射功率及发射信号的频率范围，比如遥控钥匙、近场通信(Near Field Communication，NFC)设备等。

2) 对于不需要发射电磁波信号的设备，必须严格限制其电磁波的对外发射。

3) 对于必须接收的信号，如无线广播信号，必须保证这些信号不能受到车载电子零部件的干扰，导致信号无法被正确接收。

4) 对于车辆工作过程中，某些工况、某些外部环境或某些电气设备无可避免的产生的电磁辐射，其他零部件必须具有相应的抗辐射干扰能力，保证可以正常工作。比如PEPS系统需要保证在车辆附近存在电力变压器低频电磁场干扰的情况下能够正常启动车辆。

#04

传导及辐射干扰产生的原因 

感性负载断开时会产生脉冲1，这个在作者新书第4.4.1小节已有详细描述；线束电感能够产生脉冲2a，这个在书中4.4.2及4.4.3小节均有描述。下面将详细介绍一下继电器开关过程中及熔断器熔断过程中产生的电磁干扰，这个干扰信号在与线束分布电容和分布电感互相作用下就产生了脉冲3a和3b。继电器产生电磁干扰的原因主要有两点：一是继电器在触点闭合时的弹跳，二是继电器开关过程中开关斜率的不可控。以继电器驱动真空泵为例，触点闭合时触点弹跳的电流及电压波形如下图所示。

继电器触点弹跳波形（来源：左成钢《广义车规级》）

继电器的触点吸合是需要时间的，触点动作时间通常在10ms以内，也就是说继电器从线包上电，到触点稳定吸合大约需要10ms的时间。触点在闭合过程中会发生弹跳，由图4-45可见触点在闭合过程中发生了3次弹跳，这就意味着继电器触点对电路进行了3次ms级的开关动作，这些开关动作使电路中的电流在极短时间内数次发生了极大的变化，这些瞬态电流再经过车辆线束的分布电容及分布电感的互相影响，便产生了快速脉冲群传导干扰。同时，继电器的触点还会产生电弧，这个电弧就会对外产生电磁辐射干扰。

下图所示为继电器驱动真空泵时触点断开的电流波形，从图中可以看出，虽然没有了触点弹跳，但EMI并未有丝毫改善，原因在于触点开关过程的电流斜率是不可控的，触点断开时产生的电磁干扰就不可控。

继电器触点弹跳波形（来源：左成钢《广义车规级》）

下图所示为HSD芯片在开关时的电压及电流波形。  

HSD芯片在开关时的电压及电流波形（来源：左成钢《广义车规级》）

通过和继电器的开关波形相对比就可以发现，HSD芯片在开关过程中，无论是电压还是电流波形都是很纯净和平滑的，HSD芯片会通过控制内部MOSFET门极电压的斜率，进而控制负载电压及电流的上升沿和下降沿的斜率（Slew Rate），这样便可以控制开关过程产生的电磁干扰，进而降低对车辆其他电气设备的电磁干扰。

另外，熔断器在熔断时，会在极短时间内将故障电流切断，但这个电流被切断的过程并非是瞬间完成的。熔断器在熔断的瞬间实际上并没有将电路完全切断，而是会在熔断的部分产生电弧，电弧再将空气击穿后电流将继续流通；但电弧同时也会造成更长的熔丝被熔断，也就是说熔丝熔断的缺口将进一步被拉大，最终由于电弧无法击穿过长的空气间隙，电弧会逐渐熄灭，熔断器才真正的将电路切断。这个过程中会伴随着电流的反复切断与恢复，类似于继电器的触点弹跳，所以熔断器的熔断过程在受到线束分布电容和分布电感的共同影响下，也会产生快速脉冲群，这些瞬态现象在产生传导干扰的同时也会产生辐射干扰。

#05

EMC标准简介  

车辆的电磁环境从传输路径上可以分为两类：传导和辐射，所以在介绍电磁环境时，从辐射与传导的角度介绍会较容易理解。但是从零部件本身和其他零部件关系的角度出发，就需要转换一下视角，按照干扰/发射（骚扰）与被干扰的维度去进行划分。同理，EMC试验标准也是从这个角度来进行制定的。

汽车电子零部件产品相关的EMC试验标准较环境标准更多，标准也更复杂，更难理解，但大体可以分为两大部分：干扰（骚扰）/发射和抗干扰，如下图所示。   

汽车电子零部件EMC试验标准（来源：左成钢《广义车规级》）

1. 干扰（骚扰）/发射 

干扰，也被称为骚扰，相关的试验通常被称为发射测试，相应的试验标准如下表所示。

干扰（骚扰）/发射相关试验标准（来源：左成钢《广义车规级》）

GB/T 18655标准为推荐性国家标准，主要参考国际标准IEC CISPR 25，仅适用于零部件，同时涵盖了传导干扰/发射（Conducted Emission，CE）测试及辐射干扰/发射（Radiated Emission，RE）测试两部分。  

GB/T 21437.2的为推荐性国家标准，参考国际标准ISO 7637-2，主要内容是规定沿电源线的瞬态抗干扰试验的，但其中有一部分规定了瞬态传导干扰（Conduction Transient Emission，CTE）试验。

而GB 34660-2017标准为强制性国家标准，同时涵盖了整车及电子/电气零部件，标准同时参考了GB/T 18655（干扰/发射）、GB/T 21437.2（沿电源线的电瞬态传导发射和抗扰性）、GB/T 33012（整车辐射抗扰性）、GB/T 33014（零部件辐射抗扰性）、CISPR 12（整车）等标准。

2. 抗干扰  

关于抗干扰的标准较多，甚至可以说是所有EMC标准中最多的。从这个角度出发，是不是也有一些励志的味道呢。打铁还需自身硬，自己强大了，无论这个世界的环境再恶劣，对你的要求再严苛，外界的干扰、打击再强，再大，你都能够扛得住。所以从某种意义上来讲，如果每个ECU的抗干扰能力都很强，无论怎么干扰都能够正常工作，那是不是相对来讲干扰就不是问题了。当然了，这只是对ECU来讲，对其他电子模块来讲有些天然就对需要对信号敏感，比如一些信号收发设备（如收音机、射频/蓝牙模块、T-Box等）。

简单来讲，抗干扰按传导路径可分为两部分：传导抗干扰与辐射抗干扰，其中传导抗干扰最常用的标准是GB/T 21437.2（ISO 7637-2）沿电源线，而GB/T 21437.3（ISO 7637-3）非电源线（通常指信号线）的标准则依据具体零部件类型和客户要求而定。而GB/T 21437对传导抗干扰的两个脉冲的相关规定则移到了GB/T 28046.2中，所以相关标准还必须包含上GB/T 28046.2，这个在作者新书4.6.2第2小节有详细描述。

辐射抗干扰的标准为GB/T 33014，对应的国际标准为ISO 11452，标准一共有9个，每个标准均一一对应。除标准第一部分外，标准的2、3、4、5、7、8、9、10共8个标准均为对不同测试方法的规定，但常用也就两个：第2部分：电波暗室法（Absorber-lined shielded enclosure，ALSE,装有吸波材料的屏蔽室,简称电波暗室，电波暗室法又称为ALSE法或自由场法）和大电流注入法（BCI）。抗干扰相应试验标准如下表所示。   

关于ECU类电子零部件，干扰及抗干扰的EMC标准基本就介绍完了，除此之外，还有几个标准也可以了解一下，如下：

1) GB/T 17619-1998   机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法

2) GB/T 18387-2017   电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法

3) GB 14023-2022    车辆、船和内燃机 无线电骚扰特性 用于保护车外接收机的限值和测量方法

文章转载自公众号：汽车电子与软件

作者：左成钢

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/NaqwtQHztlmvcz2Q4xy8-w