车载通信控制器电磁干扰特性分析与优化

陈渝+李旭+郭迪军

摘 要：车载通信控制器是实现人车互联的核心器件，对整车电磁环境影响较大。基于车载通信控制器的功能和组成特点，研究了其电磁干扰的测试方案，并根据其干扰特性，提出了抑制干扰的措施，满足了整车使用要求。

关键词：车载通信控制器；电磁干扰；测试分析；优化

中图分类号：TN929.53文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.03.08

Chen Yu，Li Xu，Guo Dijun

（Chang'an Automotive Engineering Institute，Chongqing Chang'an Automobile Co.， Ltd，Chongqing 401120，China）

Abstract：The communication controller offers a direct connection between car and driver.However， it causes electromagnetic interference and seriously affects to the vehicle's electromagnetic environment. Based on its functions and constituent features，the paper conducted research on the test plan for its EMI measurements. And according to its electromagnetic interference characteristics，we proposed specific measures to restrain the interference while satisfying the requirements for vehicles.

Key words：vehicle mounted communication controller； electromagnetic interference； test analysis； optimi-zation

随着汽车产业的发展以及人们对生活便利性的需求越来越高，现代化智能轿车上搭载车联网相关产品越来越广泛和普及[1]。以车载通信控制器为例，其实现了用户通过智能手机APP与汽车之间的数据和信息交互，具有远程控制车辆发动机启动，远程控制车窗、空调、查询车辆状态、车内拨打服务电话、防盗追踪等功能[2]。其功能众多，工作时功率较大，特别是在通信过程中，将产生较大的电磁干扰，给整车电磁兼容性能提出新的挑战，同时，作为通信产品与汽车零部件的融合，其电磁兼容性能测试方案也有别于传统汽车零部件。

目前国内车联网产品运用还处于起步阶段，市面上相同或类似功能的产品较少，因而在国内的期刊上很少看到车载通信控制器电磁干扰测试及其特性的文章，所以本文将基于车载通信控制器功能和组成特点，研究车载通信控制器电磁干扰特性的测试方案，并根据其电磁干扰特性，提出降低干扰的措施。本文所研究的内容对车载通信控制器电磁干扰的分析优化和国内车联网产业的发展具有重要意义。

1 车载通信控制器系统结构

本文研究的对象是搭载在长安自主设计的CS75高配车型上的一款车载通信控制器，采用整车电源网络供电，内置通信模块及通信天线。它基于GSM[3]无线通信方式，通过通信运营服务商提供相应GPRS数据及GSM通话服务。同时，控制器具有CAN信号收发功能，与整车CAN网络进行通信，实现CAN线数据与GSM等无线数据的转换和交互，从而实现相应控制整车各个电器设备和车内通话的功能。其整车通信架构如图1所示。

为了满足上述功能，所需的车载通信控制器内部设备组成框图如图2所示，同时标注了其主要干扰传播途径。

2 电磁兼容测试方案

从以上零部件方案和整车方案可以看出，此车载通信控制器各项控制功能实现方式为GPRS无线发送接收数据，其次就是GSM语音通话。它搭载到整车上的电磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）问题主要集中在控制器通信过程中产生辐射骚扰、传导骚扰对汽车上其它零部件产生干扰，以及汽车零部件和外界环境对控制器的数据连接性和通话质量产生干扰，从而造成连接中断等问题[4]。

车载通信控制器的台架测试有别于传统汽车零部件的电磁兼容测试方法。根据汽车级的CISPR25、ISO11452电磁兼容要求和通信系统的GB/T 22450[5]电磁兼容要求，同时根据电磁兼容测试处于暗室内无法接收无线GSM或GPRS信号的特点，结合以上情况我们采用了以下车载通信控制器电磁兼容测试方案：运用综合测试仪置于暗室外，与车载通信控制器保持GSM无线通信状态，对车载通信控制器播放1 kHz语音通话；另外与其保持GPRS通信状态，使车载通信控制器处于随机信令循环发送接收，并保持通信质量和连接监控。测试方案布置和测试照片分别如图3和图4所示。

其中，实现GSM、GPRS通信和数据连接状态的核心仪器是一台R&S的综合测试仪CMU200，是一种模拟基站功能的测量设备，通过它我们可以对无线终端产品进行GSM和GPRS连接和通信，同时对无线终端产品进行通信信道、发射功率、上行下行时隙等一系列通信参数进行设置，并能够实时测量GSM、GPRS的RXQUAL接收质量、BLER误块率等指标。我们将它置于暗室外，并通过信号转接至暗室内的发射天线，同时接入CAN信号等测量和监控设备，达到我们对车载通信控制器电磁兼容性能完整和精确测量的目的。

运用CMU200对车载通信控制器电磁兼容测试进行设置和测试的性能指标要求见表1，其中RE为辐射发射，CE为传导发射。

3 测试结果分析

按照以上测试方案和要求，我们进行了相应电磁兼容测试，部分超标及不合格情况如表2及图6～

8所示。

从以上结果及数据我们可以看出，车载通信控制器在进行GSM通话过程中，会产生很强的辐射骚扰。由图6和图7可知，辐射发射测试在最高超标频点平均值检测结果超标了30 dB，在55 MHz左右平均值检测结果超过规定限值要求。由图8可知，传导发射测试在1 MHz、8 MHz～25 MHz范围内多个频点超标严重。此电磁特性会对车辆其它零部件及接收设备造成严重影响，同时也对整车法规测试的通过带来困难和隐患。

4 电磁兼容性能优化

4.1 测试超标原因分析

观察测试结果可以看出，辐射发射超标的点主要为245 kHz～30 MHz，从245 kHz开始，其后平均值超标点都为基波频率的各次谐波，传导发射超标频点为880 kHz、6 MHz到30 MHz，其频谱图为大量窄带谐波。

结合以上频谱结果和车载通信控制器内部结构分析可知，通信控制器的超标情况主要是由于控制器内部各种芯片及时钟开关信号未经合理处理导致。其中，音频功率放大器TPA2010D1典型工作频率为250 kHz，12 V～5 V的DCDC降压芯片TPS54240同步开关工作频率为1MHz。解决测试结果中超标问题主要从抑制以上骚扰源的方向入手。

4.2 电源芯片及音频功放芯片滤波优化

根据骚扰源超标频段和滤波电容阻抗，对电源芯片产生的谐波和倍频干扰，其BOOT和PH管脚之间应添加20 MHz左右滤波效果良好的100 nF的电容就近到地，减小其电磁骚扰传导到后续负载电路，减小线间串扰并带出到通信控制器外[6]。对音频功放芯片，其工作产生的内部及附近走线的线间串扰的电磁骚扰，主要通过扬声器输出传导出通信控制器内部。因此，需要在靠近功放芯片位置处进行共模差模滤波处理[7]，如图9和图10所示。

4.3 电源滤波方案优化

通信控制器的电源输入端与整车电源连接，通常控制器内部的电磁干扰会通过电源端口传导到其它车载电器部件，同时，其它车载电器部件的电磁干扰也会通过此电源端口传导进通信控制器，对通信控制器的正常工作产生影响。所以，对其电源端口的滤波设计尤为重要。

图11是对通信控制器的电源输入端的滤波电路设计优化。根据电容及磁珠滤波频率，在正负极上使用470 nF对地共模滤波电容，并使用多孔磁珠，组成共模滤波网络，抑制150 kHz～30 MHz左右的传导共模电流。同时，在正负极之间还采用了2个470 nF差模电容，组成π型滤波网络[8]滤出对控制器及对外传导的低频纹波。

4.4 I/O接口滤波方案优化

对于辐射发射和传导发射测试的电磁骚扰，主要是通过通信控制器I/O口的外接线束传播。I/O口如果未经合理滤波处理，会将各种芯片产生的大量电磁骚扰带出控制器，造成辐射发射超标，同时，外界的电磁干扰也容易通过I/O口进入控制器内部，造成声音信号的失真啸叫和控制器的误动作。对于对外传导及辐射发射骚扰较大的0.15 MHz～30 MHz频率段干扰，对通信控制器的I/O口信号输入输出处理也主要通过增加对地的100 nF电容[9]。具体如图12所示。

4.5 车载通信控制器性能优化后测试结果

从以下测试结果可以看出，实施以上优化方案后，超标的辐射发射和传导发射经测试已经满足相应限值线要求。其中，图13和图14较图6和图7来看，在辐射发射超标的低频段干扰降低了30 dB左右，55 MHz左右的高频段干扰降低了15 dB左右，并有6 dB左右的裕量。图15较图8来看，在传导发射1 MHz、10 kHz～30 MHz频率范围内干扰降低也较明显。经过对电源芯片、功放芯片主要干扰源及电源端口、I/O口主要干扰途径的滤波优化后，车载通信控制器的电磁特性得到了较大改善，整体效果满足预期要求。

5 结论

（1）本文基于车载通信控制器功能和组成特点，研究了车载通信控制器电磁干扰特性的测试方案，并根据相应方案计划实施了测试工作，能够较客观如实地测试出车载通信控制器在典型工作状态下的电磁干扰特性。

（2）从测试结果看，该车载通信控制器电磁干扰较强，超标严重。根据其干扰特性曲线，从整体构架和干扰源及干扰途径入手，提出了降低干扰的措施。经过实际实施后干扰得到有效降低，满足了零部件测试要求和整车使用要求。

参考文献（References）：

曲良东，刘衍珩，魏达，等.由车载网关实现车载信息与互联网的通信[J]. 仪器仪表学报，2008，29（11）：2330-2334.

Qu Liangdong，Liu Yanheng，Wei Da，et al. Realization of Communication between Invehicle Information and Internet Based on In-vehicle Gateway[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（11）：2330-2334. （in Chinese）

谢辉，肖斌，郝明德，等.电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的开发研究[J].汽车工程，2006，28（8）：734-770.

Xie Hui，Xiao Bin，Hao Mingde，et al. Development of a Wireless Remote Monitoring System for Electric Vehicles Demonstration Operation[J].Automotive Engineering，2006，28（8）：734-770. （in Chinese）

徐小琴，叶桦.基于SMS和GPRS自主切换技术的车载通信终端[J].东南大学学报（自然科学版），2006，36（s1）：13-17.

Xu Xiaoqin，Ye Hua.Vehicle Communication Terminal with Automatic Counterchange Technique Between SMS and GPRS[J]. Journal of Southeast University（Natural Science Edition），2006，36（s1）：13-17. （in Chinese）

BYKHOVSKY M，VSOCHINV，LOUGOVSKOYY，et al. Experimental Investigation of Electromagnetic Compatibility Between GSM-900 Cellular Networks and REE of the Aeronautical Radionavigation Service [C]// Proceedings of 1997 International Symposium on Electromagnetic Compatibility，Beijing，1997：300-303.

GB/T 22450.1—2008. 900/1800MHz TDMA数字蜂窝移动通信系统电磁兼容性限值[S].北京：国家质量监督检验检疫局，2009.

GB/T 22450.1—2008. Limits and Measurement Methods of Electromagnetic Compatibility for 900/1800MHz TDMA Digital Cellular Telecommunications System[S]. Beijing：General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，2009. （in Chinese）

曹丽萍，张勋，陈晨，等.开关电源EMI滤波器设计与仿真[J]. 电子科技，2010，35（4）：71-73.

Cao Liping，Zhang Xun，Chen Chen，et al. Design and Simulation of Switching-Mode Power Supply Input EMI Filters[J]. Electronic Science and Technology，2010，35（4）：71-73. （in Chinese）

KAMADA J，FUNATO H，OGASAWARA S. Proposal of Switching Power Amplifier Using Smallcapacity Linear Amplifier and LC Filter [J]. Electronics and Communi-cations in Japan，2009，91（10）：1-10.

高军，李旭，汪正胜. 电动汽车DC/DC变换器电磁干扰研究[J]. 电力电子技术，2014，48（2）：33-36.

Gao Jun，Li Xu，Wang Zhengsheng. Research on the EMI of DC/DC Converter in Electric Vehicles[J]. Power Electronics，2014，48（2）：33-36. （in Chinese）

何宏，王云亮，张志宏. 电磁兼容与印刷电路板[M]. 北京：国防工业出版社，2011.

He Hong，Wang Yunliang，Zhang Zhihong. EMC and PCB[M]. Beijing：National Defense Industry Press，2011. （in Chinese）