接地在汽車EMC中的作用

本文討論了汽車中的接地問題。首先回顧典型的汽車接地系統的組成，它們要實現的功能以及到目前為止已知的缺陷。列出了一些汽車上的輻射源，并討論了接地對于減小這些輻射所發揮的作用。

1 概述

自從1860 年把電能用于點火，汽車就開始了向周圍電磁環境發射電磁騷擾的歷史。當今汽車，尤其是發動機點火系統，面臨著電磁兼容的巨大挑戰。在設計的過程中，為了保證汽車各部分協調工作，相互兼容，要遵循國際、國家和地方的各種電磁兼容性標準，另外，EMC 工程師還必須考慮乘客舒適性，包括無線電娛樂設備，車載電話，GPS，防爆裝置（雷達和激光雷達），以及其他將在以后的職能汽車應用到的先進設備。

汽車電子系統中的“地”不只發揮一種功能，這個術語通常用來指一些汽車上導體，它們有如下功能：

1 提供一個電流回路

2 為模擬傳感器和數字邏輯電路提供參考電壓

3 調頻和調幅天線的地網

4 用于屏蔽射頻旁路電流

5 靜電保護

本論文回顧了影響車輛系統接地的因素，并且舉例說明一些關鍵因素的作用。

2 汽車接地系統

2.1 概況

如圖1所示，汽車供電系由蓄電池、發電機和典雅調節器組成，它是汽車電系的電源系統，為汽車電系提供足夠的電功率和穩定的工作電壓。汽車供電系由蓄電池和發電機并聯供電。當發電機運行時，它輸出電流驅動直流負載，但是發電機的內部電容過大，從而它無法輸出快速的開關電流。那么這個任務就得由蓄電池來完成。

另外，汽車接地系統首要考慮的問題就是要保證起動機正確運行，因此我們還得考慮起動機的要求。為了確保起動電機能夠在寒冷的天氣下動作，其電流回路必須在電池負極到起動機接地（一般使發動機體）之間呈現為直流低阻特性。起動機和蓄電池的安裝位置可能在這個地導體之間產生額外不利的電流回路。

2.2 接地元件

在車上，許多部件都專門用于接地，包括車身金屬體，發動機本體，配線以及蓄電池。

2.2.1 車身金屬體

盡管現在車身材料越來越趨向于使用復合材料或者塑料面板，但當今汽車車身仍然大面積使用金屬。因為它的尺寸，形狀和方便的布局（例如接近大多數電氣設備），車身金屬體在提供電流回路、參考電勢、屏蔽和削弱噪聲方面具有獨到之處。要設計一個好的汽車接地系統，其目標就是使車身金屬體的作用發揮到極致。

由于車身的外形獨特，表面積大，因此它本身就是一個巨大的電容器，現已驗證，車身金屬體可以吸收高頻小幅值電流。然而，這樣做存在普通阻抗耦合，特別是有電流穿過車身上接合的地方時。此外，如果把車身金屬體作為通用電流回路，而不是做某些特定的電流回路將不單不能發揮其長處，反而會增加一個重要的輻射源。美國俄亥俄州州立大學及美國Daimler-Chrysler公司曾做過實驗，發現如果車身金屬體只是給一般的點火電流提供回路，那么其表面電場并不穩定，有明顯的干擾毛刺，這是由于電流通過汽車擋板時會在無線電娛樂設備中產生噪聲。而如果汽車外加一個部件，使電流回路避開了離擋板近的車身金屬體的話，此時其表面電場是非常穩定的。

車身金屬體還可以屏蔽低頻電容。在頻率超過千赫的情況下，由于車身金屬體本身具有一定的厚度，因此它也會對發動機盒起到一定的電磁屏蔽作用。另外，它還是汽車與照明系統、外界ESD干擾以及其它車外的輻射源屏蔽的主要導體。然而，如果車身采用一般的構造，那么這種屏蔽無法實現的可靠電氣整體性。金屬板之間的連接可能是靠焊點、非導體防腐插入層或非導體油漆。理想情況下，固定的金屬板通過電氣結合，可移動的金屬板（車篷和門）是通過輔助導體（接地母線）連接的。車身金屬體應該通過一個牢固的低阻抗線束連接到電池負極。

2.2.2 發動機體和氣缸蓋

汽車發動機體和氣缸蓋中有多種電氣信號。它們之間除了可能產生傳導耦合之外，一些信號可以通過回路引線電感在發動機裝置和車身金屬體之間產生電壓。這個電壓能夠對發動機內的電子設備產生輻射或者電容耦合。

發動機和氣缸蓋在物理上是通過很多大直徑螺栓緊密連接，但連接處的電氣特性一般都比較差。氣缸蓋墊圈經常是絕緣的，其外表通常采用劣質導體。發動機體與其他發動機組件之間的連接處（包括發電機機架，閥門蓋和節氣門體）都是不可控的，并且在發動機工作過程中隨時可能發生變化。

2.2.3 配線

由于發動機和汽車部件的尺寸較大，那么在高頻情況下必然產生接地阻抗。而且這些部件之間的距離很大（米的數量級），因此電流回路的電感問題也很難消除。通常情況下，配線的電感達到幾十nH/inch，另外很多汽車部件的感性容量的數量級都可達μH。那么在汽車系統中幾安培或者更大、頻率高于100KHz的電流可能在電流回路中產生很大的壓降。

2.2.4 蓄電池

蓄電池除了可以儲存電能，它還可以抑制一些噪聲。在低頻時，鉛酸電池每100Ah呈現為1-2F的容抗。當與發電機并聯放置時，該電抗將有利于減少汽車充電系統產生的低頻噪聲。高頻狀態下，電池內的反應更復雜。在25kHz到250kHz的范圍內，蓄電池呈現容性（幾十nF），并且基本不隨頻率不變。據觀察，有效電容數量級的變化次序是與蓄電池的負荷狀態及大小有關的。高頻狀態下，用串聯LC電路來等效蓄電池的電抗是最佳的。此時，如果頻率高于1MHz，那么很可能發生串聯諧振。也正因為此，不能應用蓄電池來抑制調幅廣播波段或更高的無線電頻率噪聲。

圖2 點火系統簡圖

3 汽車EMC要考慮的問題

據上所述，汽車本身有許多輻射源和敏感元件。由于篇幅限制，在這部分中，我們只討論汽車環境中比較特殊的元件。

3.1 點火裝置

汽車的初級和次級點火電路是最常見的發射源。由于這兩級電路經過點火線圈耦合之后，它們的波形完全不同，在此對其進行分別介紹。

初級點火電路包括一個電流源（蓄電池或交流發電機），點火線圈和一個觸發裝置（通常用發動機控制器）。現在的大多數汽車上的點火系統都采用的結構簡圖如圖3所示。對于這種電路來說，與EMC首要相關的是線圈電流波形的下降沿。

圖3給出了點火線圈初級的電流、電壓波形。這部分波形包含有效的高頻能量（100KHz及其以上），它受地回路線束的電感影響。

圖3 點火線圈初級的電壓、電流波形

次級點火電路包括點火線圈，火花塞，氣缸蓋和其他導體，等效電路如圖4所示，這個回路包括發動機組和發動機控制模塊，它還包括一個1pH的接地電感，它能觸使發動機組和控制模塊對蓄電池有幾伏的電勢差。在這里，用等效串聯電壓源表示由初級電壓。盡管在足夠高的頻率下也會發生電容和輻射損耗，但是還是可以把到蓄電池的電流回路用一個等效電感來表示；Cc表示通過線圈的寄生電容。在圖中，看不出次級通過點火線圈電容耦合到初級。而這種實際存在的耦合方式既可以增加輻射電壓，也會引入更多的傳導耦合到電子系統當中。

如果我們盡量減少閉環回路的面積，以及合理擺放元件以縮短其間的引線距離，那么這個問題可以得到一定緩解。另外，在流經蓄電池負極的電流回路中，不能用其他的任何導體作為參考電位，車身金屬體也不可以。

在汽車產生信號中，次級點火電路的信號是獨一無二的，因為其頻譜范圍可高達1GHz左右。因此它尤其可能成為一個輻射源，但是它與發動機其他部件的傳導耦合也是輻射源。

圖2和圖4給出了次級點火電路高頻發射信號的產生機理。蓄電池給點火線圈的初級繞組供直流電。發動機的初級繞組和次級繞組采用自耦變壓器結構。發動機控制器中的電子開關驅動導通初級繞組需要一定的時間。都知道，初級電壓被放大的倍數為匝數比（一般為幾百），在次級產生幾十kV的電壓。因此在線圈高邊和氣缸蓋之間加一個RF抑制電容Crf。

圖4 點火系統次級等效電路

火花塞RF特性可以用以下模型描述：（1）一個等效電弧阻抗L，它可以用來描述表示流過火花隙的非線性時變電流，（2）由火花塞外部帶螺紋的金屬包皮和內部鐵芯構成的同軸電容器。實際上，電弧不放電時火花隙是斷開的，在此我們用一個開關來表示。在開關閉合后，電容Cp快速地通過間隙放電。

3.2 車載無線娛樂系統

車載無線娛樂設施包含了一個屏蔽的連接單極天線的高增益放大器。無線設備對從kHz到MHz范圍的噪聲敏感，而這個變化范圍恰是汽車電氣和機械系統產生噪聲的范圍。

同軸電纜連接無線設備和接收機，其外層導體在擋板（天線地網）和接收器架之間形成一個連續屏蔽層。雖然汽車的設計者一般不知道接收器機架內部的連接，但是可以認為接收器機架也通過接地母線連到車身金屬體上。車載無線娛樂系統中有幾種接地。首先是同軸電纜外屏蔽層與車身金屬體連接給單極天線提供地網。另外還需將同軸電纜與無線設備機架相連，這樣可以將前者表層噪聲電流轉移到后者上來，為天線信號提供回路。如果無線設備機架和車身之間沒有連接，其大面積的金屬部分將會與車身金屬產生容性耦合，車身金屬上的噪聲可能影響接收器的基準電壓。如果同軸電纜的外層導體沒有和接收器以及無線設備機架形成良好的連接，噪聲電流將耦合到接收器。最后，如果接收器和無線設備機架沒有共地，無線設備機架上的噪聲電流將會在接收器上產生容性耦合。

3.3 供電系統

3.3.1 供電系統結構

在圖1所示的傳統供電系統中。發動機體與電池負極之間的這個起動機，它直徑大，但具有低阻特性，提供回路讓電流回到發動機體、蓄電池負極。要設計一個好的接地系統可能面臨兩個難題。第一，由于蓄電池和起動機的尺寸和安裝位置，回路中需很長的引線，這可能產生很大的接地電感；第二，發動機體的電阻可變，因為它是由很多結構上獨立的部分組成的（如機身、機蓋、歧管及其支架），而且它們之間連接處的電氣特性在裝配過程中是不可控的，也并不是一層不變的。

3.3.2 供電系統組件

接地設計時還應該考慮發電機和電壓調節器產生的噪聲。這種噪聲有幾個來源：1．電機滑環斷續接觸時引起的電刷噪聲；2．整流時產生的諧波噪聲；3．整流二極管反接產生的脈沖噪聲；4．勵磁繞組通PWM信號時，在電壓調節器上產生高頻噪聲。因為摩擦和皮帶的機械移動導致靜電荷移動，因此發電機的傳動帶也成了一個噪聲源。這個小的噪聲源會加劇發動機產生的其他大容性信號和輻射信號。

前面已經提到過，可以利用蓄電池內部的電容來消除發電機噪聲，這種結構可以吸收低頻噪聲，但對高頻噪聲就失效了，因為電池有復雜的頻率響應和很大的導線電感。為了提高高頻抑制能力，應該在盡可能靠近發電機外殼處讓噪聲對地分流。而外殼與蓄電池負極間通路的阻抗要低，如果采用縮短連線及減少和其他電路的耦合的方法，那一定要謹慎！

3.4 非電氣組件

前面討論的都是汽車上的電氣元件，而汽車上很多非電氣部件也都是顯著噪聲輻射源，這是由于其尺寸、形狀及安裝特性的關系。這些部件包括發動機組和氣缸蓋、散熱器、散熱器芯和排氣管。噪聲信號可能通過感性器件、容性器件、傳導元件和輻射過程耦合。

許多汽車的散熱器都是通過絕緣橡膠套管固定到車身上，因此散熱器就和參考電位在電氣上隔離。散熱器芯也是這個原理。而且，流動葉片還可以加劇容性耦合噪聲。由于車載娛樂設施也在這附近，因此這種干擾對散熱器芯的影響特別嚴重。為了抑制這些噪聲源，散熱器和散熱器芯至少一點接地到車身上。現在越來越多的使用鋁制散熱器，又引發了新問題。在連接處尤其要謹慎選擇材料，必須保證金屬材料接觸時電化腐蝕最小。