某车灯产品,在DBCI试验项目中,当注入干扰频率在20-30MHz之间,电流在200mA等级时,日行灯出现变亮和闪烁的故障现象。
根据样机电路原理图,基本控制原理如下图1所示,由MCU输出PWM方波控制信号至电源模块的使能输入端口,通过不同的占空比控制电源输出,从而实现LED灯组的亮度调节和闪烁等。
图1
测试过程中,当样机受到干扰出现变亮故障时,LED灯组的开关波形高电平时间变长,高电平占空比增加,LED亮度增加。干扰结束后,样机自动恢复正常工作状态。通常DC-DC电源是相对独立的电路,输入/输出均设计有滤波电路,对于差模和共模器噪声的抑制能力比较强,自身受外部干扰的可能性较低。BCI测试原理是通过电流耦合钳将电磁噪声注入到样机线束上,外部线束就成为了噪声的传导路径。该样机中,开关电源的工作状态受MCU控制,着重分析和排查MCU与外部相关的线束。通过原理图分析,样机的一故障反馈信号线通过一个三极管与MCU的IO口进行连接,导致了外部噪声信号通过信号线直接对MCU形成干扰。
干扰机理分析:
BCI测试系统主要由信号源、功率放大设备、功率计、电流耦合钳及控制软件组成。根据电磁理论和原理,电流钳产生一个感应磁场 ,当有导体通过该感应场时,导体上就会产生感应电压,如果该导体具有一个闭合回路,就会形成感应电流,导体上感应电流的大小,除了与感应磁场的强度相关外,还与导体闭合回路的阻抗相关,当感应磁场恒定不变时,导体闭合回路阻抗越小,形成的感应电就越大。对于BCI试验的解决方案而言,切断耦合路径和提高回路阻抗是预防和解决干扰的重要手段。BCI测试方法中,其注入方式分为两种:一种是共模注入方式CBCI,一种是差模注入方式DBCI。
图2 BCI替代法校准原理
BCI试验系统的基本组成及校准原理,如图2所示。由功放通过定向耦合器向注入钳输出功率,再由校准装置进行耦合感应,校准装置端接50Ω负载,另一端输出至分析设备,读取注入参数。
图3 CBCI测试布置
图4 DBCI测试布置
如上图3、4所示,BCI的测试布置中,EUT端被注入线束的阻抗并不是固定的50Ω,不同的EUT,不同功能的端口,其阻抗均是不定的,同时阻抗也会随频率的变化而不同。在校准系统中,采用50Ω的模拟负载阻抗,默认EUT端口阻抗为50Ω,其主要的目的是达到校准参数的一致性及测试结果的一致性。据此可知,在实际的测试案例中,EUT被注入线束上所感应到的电流并非校准系统中所标定的电流,真实的电流感应值与端口的阻抗成反比关系。
图5 差、共模示意图
在共模注入CBCI和差模注入DBCI中,所注入电流的能量和干扰路径是不同的,两种试验结果也会产生较大差异。如图5所示,差模注入(DBCI)的特征是噪声在线束与线束之间形成回路,回流路径基本是阻抗较低的线束或通路,通常是地线。共模注入(CBCI)的特征是噪声在线束与地之间形成回路,通过空间耦合与地形成回路。从上图中可以看出差模与共模整个回路是完全不同的,即使是同一被测样品,两种测试方法,也可能存在不同的试验结果。
解决思路:
图6 阻抗模型
上图6为阻抗分析的简易模型,R3为人工电源网络,阻抗为ZL3,R2为端口线束对地电阻,阻抗为ZL2,R1为负载电阻,阻抗为ZL1,设定阻抗ZL1 << ZL2、ZL3,在线路中注入交变能量时,由于ZL1阻抗较小,线路中的交变能量转换为电流流过R1,由于注入线束与其它线束(线与线、PCB走线与PCB走线)之间存在分布参数(分布电容、分布电感),当注入频率达分布电容、分布电感的谐振频率时即形成耦合通路。如果要泄放耦合到的交变能量,可以通过设定一个更小的阻抗回路进行转移泄放,或者将ZL1的阻抗增大,减小闭合回路中的电流。ZL2为近端泄放路径的阻抗,ZL3为远端泄放路径的负载阻抗,C为等效电容,L为等效电感,在不考虑交变能量方向性的情况下,最终注入线束中总阻抗Z即为:
总阻抗Z = (R1//R2//R3)+ j(XL-XC)
根据上述理论,可在不影响样机正常功能的前提下,对地并联一定参数的电阻或电容,对噪声电路进行旁路处理,从而降低R1上的感应电流,使交变噪声能量在就近端口回流至地,减小耦合能量,提高电路的抗扰能力。
样机整改方法:
如下图7所示,在信号线输出端口增加一级RC吸收电路,目的为噪声提供一个低容性回路,将线束上的交变能量就近进行泄放,使噪声电路不再通过IO电路被注入到MCU形成干扰。
图7 样机整改对策
总结:
对于BCI大电流试验失效的整改,工程师需要了解其干扰机理,定位其干扰路径、分析其受扰电路或模块,才是解决问题的关键。屏蔽、接地、旁路、去耦、阻抗调整、数字滤波等都是解决电磁干扰的有效手段。在行业中,衡量一套电磁兼容解决方案是否优秀的标准,即是采最简单的电路、最低廉的成本和最有效的测试结果,往往整改方案越简单,实现起来就越容易,就越容易达成解决问题的目的。
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