線束屏蔽失效方式及可靠性研究

隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化進(jìn)程不斷推進(jìn)，整車通訊回路數(shù)量和數(shù)據(jù)傳輸頻率持續(xù)增大。復(fù)雜的回路網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境釋放大量的電磁信號(hào)，回路信號(hào)傳輸頻率的提高又使得釋放的電磁信號(hào)強(qiáng)度增大，整車電磁干擾問題日益嚴(yán)重。線束作為信號(hào)傳遞的載體，屏蔽失效問題尤為突出。大量整車屏蔽失效數(shù)據(jù)表明，線束的屏蔽失效已成為整車電磁干擾問題的最重要組成部分。但整車線束電磁屏蔽失效干擾源眾多，干擾方式各異，這導(dǎo)致對(duì)整車干擾失效問題調(diào)查困難重重。基于以上問題，該文對(duì)線束屏蔽失效的方式進(jìn)行了歸納總結(jié)，并提供了降低線束屏蔽失效的工作方法，提高了線束設(shè)計(jì)可靠性，對(duì)線束屏蔽失效問題的解決有一定的指導(dǎo)意義。

| 1 線束屏蔽失效方式

1.1 整車線束電磁屏蔽

屏蔽性能良好有2 方面的意思，其一是系統(tǒng)不對(duì)外釋放對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響的電磁波，其二是系統(tǒng)本身不受外部電磁場(chǎng)影響。屏蔽失效的發(fā)生有3 要素，即干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備，如圖1 所示。整車上的干擾源主要包括點(diǎn)火系統(tǒng)、逆變器、繼電器等能對(duì)外發(fā)出電磁信號(hào)的設(shè)備。耦合路徑由空氣和整車回路2 部分組成，電磁波在耦合路徑中傳遞。敏感設(shè)備則是容易被干擾的對(duì)象。線束系統(tǒng)比較特殊，線束既可以是傳導(dǎo)耦合的載體，又是容易被干擾的設(shè)備，因此對(duì)線束電磁屏蔽的研究意義重大。

圖1 屏蔽失效3 要素

線束作為傳導(dǎo)耦合干擾的重要傳播途徑，各種電子設(shè)備在工作過程中產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)通過線束傳導(dǎo)直接進(jìn)入敏感設(shè)備，或者經(jīng)過容性耦合或感性耦合進(jìn)入線束中的控制回路和信號(hào)回路。線束與線束之間也會(huì)產(chǎn)生耦合，這使得導(dǎo)線的電磁兼容問題更為復(fù)雜。線束是效率很高的電磁波接收天線，線束周圍空間的電磁波能直接耦合到線束上，然后再通過傳導(dǎo)耦合進(jìn)入敏感設(shè)備。同時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)部信號(hào)的變化能產(chǎn)生電磁波并向外發(fā)射，引發(fā)整車屏蔽失效問題。

1.2 線束屏蔽失效方式

整車線束屏蔽失效的方式主要有3 種，控制器局域總線（CAN）故障引起的報(bào)碼、視頻信號(hào)的異常和控制回路異常。

1.2.1 CAN 總線報(bào)碼

傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊連接方式要求每對(duì)通訊節(jié)點(diǎn)間有一根單獨(dú)的回路。而隨著整車電控單元的增加，整車線束越來越復(fù)雜，繼續(xù)使用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式會(huì)使得整車成本和質(zhì)量越來越高。為解決這個(gè)問題，車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。在眾多車載網(wǎng)絡(luò)中，CAN 以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)、優(yōu)異的性能和極高的可靠性得到了最為廣泛的應(yīng)用。

由于整車空間限制，CAN 總線常常與其他線束綁在一起布線，這樣的布線方式讓CAN 總線極易受到電磁干擾。CAN 總線受電磁干擾后由于信號(hào)不符合協(xié)議定義會(huì)導(dǎo)致模塊報(bào)碼。常見CAN 總線的屏蔽失效主要表現(xiàn)形式有信號(hào)延遲、幅值變化、信號(hào)跳變、時(shí)序錯(cuò)亂等。信號(hào)延遲是指CAN 接收器接收信號(hào)的時(shí)間大于CAN 總線協(xié)議定義時(shí)間。當(dāng)時(shí)鐘頻率提高后，總線負(fù)載過高，出現(xiàn)類似“堵車”現(xiàn)場(chǎng)，信號(hào)傳輸速率下降。同時(shí)，線束過長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)延遲。幅值變化是指電流或者電壓信號(hào)被外部電磁場(chǎng)影響后，電壓或者電流的最大最小值與設(shè)定值之間的差異。當(dāng)外部信號(hào)與線束內(nèi)部信號(hào)耦合作用效果不一致時(shí)，差分信號(hào)的結(jié)果也會(huì)與預(yù)設(shè)值不一致，出現(xiàn)幅值的上升或者下降。信號(hào)跳變表示的是信號(hào)上升沿或者下降沿的斜率異常，上升沿與下降沿與信號(hào)的時(shí)鐘頻率相關(guān)。當(dāng)信號(hào)時(shí)鐘頻率較高時(shí)，電流變化快，對(duì)外釋放的電磁波強(qiáng)度大，耦合的電磁場(chǎng)也增大，對(duì)原信號(hào)產(chǎn)生更強(qiáng)的消弱作用，導(dǎo)致信號(hào)跳變。時(shí)序是信號(hào)的一個(gè)重要的參數(shù)，不同時(shí)序的信號(hào)代表承載了不同的信息。線束收到電磁干擾后，局部信息出現(xiàn)滯后或者幅值變化等異常，導(dǎo)致信號(hào)的時(shí)序錯(cuò)亂，傳遞錯(cuò)誤的信息。

1.2.2 視頻信號(hào)異常

視頻信號(hào)傳輸過程為圖像信息經(jīng)傳感器處理后變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行傳遞，然后電流或電壓信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后在顯示屏上成像。視頻信號(hào)傳輸本質(zhì)是電信號(hào)傳輸，傳輸?shù)妮d體仍然是線束，這些決定了視頻信號(hào)傳輸逃不開電磁干擾。視頻信號(hào)在傳輸?shù)倪^程中，如果受到電磁干擾，電壓或者電流信號(hào)出現(xiàn)幅值、時(shí)序等異常，會(huì)導(dǎo)致傳輸?shù)男盘?hào)失真，最終導(dǎo)致視頻信號(hào)異常。

1.2.3 控制回路異常

電子設(shè)備控制回路往往通過電壓或者電流的變化執(zhí)行不同的工作狀態(tài)。并且控制回路的信號(hào)往往比較敏感。線束中的控制回路在耦合過程中電流或電壓容易受到電磁干擾，從而出現(xiàn)工作異常的情況。

| 2 線束屏蔽失效來源

線束作為敏感設(shè)備，容易受到整車干擾源的影響。典型的整車干擾源包括點(diǎn)火系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)、變換器和天線等零件。

2.1 點(diǎn)火系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)主要由蓄電池、點(diǎn)火線圈、火花塞、電容器等部件組成。汽車點(diǎn)火時(shí)，蓄電池中的電流進(jìn)入初級(jí)線圈，在線圈電芯的作用下，次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)次級(jí)線圈中的感應(yīng)電流不斷提高，以至于擊穿火花塞間隙，火花塞電容中存儲(chǔ)的能量迅速得到釋放。該放電過程會(huì)導(dǎo)致次級(jí)電路側(cè)的電流驟然增大，向周圍環(huán)境空間輻射電磁波。

2.2 電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)在整車上應(yīng)用較多，包括雨刮、水泵、座椅調(diào)節(jié)、后視鏡調(diào)節(jié)等處均有電動(dòng)機(jī)的身影。電動(dòng)機(jī)的換向器在磁場(chǎng)中換向運(yùn)動(dòng)和開關(guān)觸點(diǎn)在工作時(shí)反復(fù)的開閉這2 個(gè)特點(diǎn)，使得電動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境釋放大量的電磁波。即使有金屬客體的屏蔽，電動(dòng)機(jī)通過傳導(dǎo)傳遞的電磁波仍不可小覷。

2.3 DC/DC 變換器

DC/DC 變換器由開關(guān)管、整流管、電感和電容等組成。變換器中開關(guān)管和整流管在工作過程中產(chǎn)生的電流或電壓的突變是變換器成為干擾源的根本原因。開關(guān)管工作時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間短，形成電流尖峰。開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候，關(guān)斷時(shí)間短，將引起電壓突變，形成電壓尖峰。電流尖峰和電壓尖峰均會(huì)釋放大量電磁波。

2.4 天線

車載天線是整車通訊電子設(shè)備或者娛樂設(shè)備收發(fā)電磁信號(hào)的載體。天線接收空間中的電磁信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大器調(diào)整后，經(jīng)由線束傳遞到車載娛樂系統(tǒng)主機(jī)。這意味著，空間環(huán)境的電磁波可能被天線耦合。同時(shí)，天線的本質(zhì)還是導(dǎo)線，也會(huì)對(duì)周圍環(huán)境釋放電磁波，干擾周圍環(huán)境的電子設(shè)備。

| 3 解決辦法

基于對(duì)線束屏蔽失效的方式和根源的剖析，不難總結(jié)出線束屏蔽失效的解決辦法，即在設(shè)計(jì)階段理清當(dāng)前整車環(huán)境下線束各參數(shù)對(duì)電磁干擾的貢獻(xiàn)，并基于此設(shè)計(jì)線束布置方案。然后建模分析布置方案是否能達(dá)到屏蔽要求，并進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證。最后，整車耐久試驗(yàn)驗(yàn)證線束電磁屏蔽性能。

驗(yàn)證階段嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)大綱即可，解決辦法中最難的在于屏蔽模型的建立。屏蔽模型的建立需要嚴(yán)格考慮整車干擾源的數(shù)量、干擾大致強(qiáng)度以及干擾源的特征和對(duì)應(yīng)失效方式。建立模型后將模擬結(jié)果與臺(tái)架實(shí)際表現(xiàn)對(duì)比，確保模擬結(jié)果與實(shí)際表現(xiàn)一致。當(dāng)結(jié)果不一致時(shí)，通過調(diào)整模型參數(shù)，使得模型與實(shí)際表現(xiàn)一致。調(diào)整的依據(jù)來自當(dāng)前線束屏蔽的研究成果，即隨著導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加，或者干擾源強(qiáng)度的提高，或者導(dǎo)線間距離的減小，或者導(dǎo)線離地高度的增大，導(dǎo)線感應(yīng)電流增大，電磁干擾明顯。線徑對(duì)感應(yīng)電流的影響存在頻率依賴性，在某些頻率，電磁干擾效益隨導(dǎo)線線徑的增大而增大，另外一些頻率則相反。

同時(shí)，為減小線束的屏蔽失效，線束的布置和設(shè)計(jì)需要遵循以下原則。易干擾線束盡可能靠近接地布置，快速且良好的接地能有效減少電磁屏蔽。同時(shí)，將線束盡可能貼近鈑金布置，調(diào)整線束的方向避開耦合較強(qiáng)區(qū)域，遠(yuǎn)離干擾源，增大線束間的間距，使用屏蔽層隔絕，依據(jù)傳輸頻率調(diào)整線徑。這些設(shè)計(jì)原則也能指導(dǎo)線束屏蔽失效的排查。

| 4 結(jié)論

線束承擔(dān)著整車信號(hào)傳輸和電壓電流傳輸?shù)闹匾饔茫囕d用電設(shè)備遍布整車各處，線束在連接各設(shè)備時(shí)不可避免地會(huì)暴露在干擾源作用區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致汽車線束失效問題時(shí)有發(fā)生。如何排查線束屏蔽失效問題，以及如何加強(qiáng)線束屏蔽設(shè)計(jì)已逐漸成為整車研究的重要問題。文章首先對(duì)線束屏蔽失效方式進(jìn)行了探討，然后重點(diǎn)對(duì)整車干擾源進(jìn)行分析，并針對(duì)各種失效模式和干擾源的特點(diǎn)，提出了解決屏蔽失效的辦法。即根據(jù)干擾源的特點(diǎn)構(gòu)建模型，并依據(jù)模型分析的結(jié)果進(jìn)行子零件設(shè)計(jì)和整車線束布置設(shè)計(jì)。這些方法能提高線束設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)也為解決線束屏蔽失效問題提供了借鑒。