有關(guān)數(shù)據(jù)線扼流圈改善電磁兼容
出處:noavay 發(fā)布于:2011-08-02 14:35:51
近幾年來,汽車內(nèi)的電子產(chǎn)品設(shè)備比例在顯著增長。這一趨勢的發(fā)展使更多功能加入進來,用以提高汽車的安全性、效率、可靠性和便利性,并降低排放。與此相對應(yīng)的便是針對總線系統(tǒng)提出的日益增加的要求:確保在多樣化的控制單元之間實施可靠通信。特別是經(jīng)由總線系統(tǒng)如控制器局域網(wǎng)(CAN)或FlexRay系統(tǒng)控制的對安全性至關(guān)重要的應(yīng)用,必須滿足的電磁兼容性規(guī)格。數(shù)據(jù)線中的共模扼流圈(CMC)可加強對由電磁兼容性問題所導(dǎo)致的故障的防護。
如今機動車輛控制功能的復(fù)雜性在于三點:更快的數(shù)據(jù)速率、確定時延性能以及故障容錯功能。以成本考量為主的功能或多媒體功能由LIN(局域互連網(wǎng))或MOST(媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸)總線進行連接,而CAN或FlexRay總線系統(tǒng)則用于對安全至關(guān)重要的功能,比如引擎控制、ABS系統(tǒng)以及氣囊等。CAN和FlexRay采用雙絞線,具確定時延性,可實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)速率(CAN總線:1Mbit/s;FlexRay總線:10Mbit/s)。這兩種總線系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)傳送協(xié)議均已經(jīng)過優(yōu)化,可確保高度可靠性。不過,鑒于現(xiàn)代車輛逐漸增加的復(fù)雜性,單獨憑借上述措施并不能徹底防止電磁兼容性問題導(dǎo)致的故障。
數(shù)據(jù)線扼流圈幾乎存在于所有現(xiàn)代汽車中。沒有數(shù)據(jù)線扼流圈,就無法確保汽車電子設(shè)備的電磁兼容性和無故障運轉(zhuǎn)。愛普科斯現(xiàn)可供應(yīng)能夠滿足汽車具體要求的、具有不同封裝尺寸和版本的各種型號產(chǎn)品。B82789系列扼流圈專用于功能強大的汽車總線系統(tǒng),比如CAN或FlexRay。當(dāng)上述扼流圈應(yīng)用到數(shù)據(jù)線上時,就能抑制耦合干擾并防止數(shù)據(jù)總線發(fā)出干擾。該系列產(chǎn)品的工作電壓為42VAC或80VDC,扼流圈的額定電感介于11至100mH之間,額定電流介于150~300mA之間。

圖1電磁兼容性測量(于測試板上實施),這一測試結(jié)構(gòu)用于電磁干擾測量與總線扼流圈效果的測定
總線扼流圈
汽車總線系統(tǒng)必須符合電磁兼容性要求:針對瞬變、靜電放電(ESD)及電磁干擾(EMI)的抗擾度。但是,總線系統(tǒng)不能干擾其它電子元件,也就是說,必須化干擾輻射。不過,隨著車輛內(nèi)部電子設(shè)備比例的增加,無法在所有條件下預(yù)先測試電磁兼容性,這就存在出故障乃至控制裝置受損的風(fēng)險。愛普科斯數(shù)據(jù)線扼流圈促進了上述問題的解決。
通常,必須要區(qū)別差模和共模干擾。差模干擾與數(shù)據(jù)信號重合,而共模干擾則是對地的,它源于不平衡性和寄生效應(yīng)。為化共模干擾,必須特別注意總線信號線的布線、終端濾波器、連接器、以及電路板本身。穿通接頭或連接接頭的寄生電容和電感,以及總線信號引線在電路板上的布局都可能會引起不對稱性,并產(chǎn)生共模干擾。
常用于測L定射頻影響電磁兼容性的方法是Te直接射頻功率注入(DPI)法:將來自信號發(fā)生器的信號(可達36dBm)耦合到總線引線中,并觀察信號輸出。如果發(fā)生故障,就記錄接入信號的信號電平。針對有關(guān)范圍內(nèi)的每一個對應(yīng)頻率逐步重復(fù)這一流程。一個特定的總線結(jié)構(gòu)的射頻干擾輻射是通過測試接收機決定的,用它來測量總線及所有輸入輸出處的共模電壓。
在采用和未采用愛普科斯扼流圈的情況下,我們采用DPI方法分別在測試板上進行射頻抗擾性和干擾輻射測量。從圖2和圖3中可以看出CAN總線相應(yīng)結(jié)果。顯然,B82789共模扼流圈的使用大大改善了射頻抗擾性。同時,扼流圈在數(shù)據(jù)線中的使用也大大減少了干擾輻射。


數(shù)據(jù)線扼流圈可以顯著提高CAN總線系統(tǒng)的可靠性。這就是為什么歐洲汽車制造商要求使用數(shù)據(jù)線扼流圈的原因。盡管較高電感的扼流圈會由于較高的衰減產(chǎn)生較好的電磁兼容性,但要選擇合適的扼流圈,就必須還要考慮雜散電感、信號完整性、接地漂移以及引線的堅固性等因素。愛普科斯B82789系列的電感范圍為11到100mH。
FlexRay電磁兼容性與電磁干擾
FlexRay是一個串行的、具確定時延和故障容錯的總線系統(tǒng)。FlexRay由FlexRay聯(lián)盟(FlexRayConsortium)定義。FlexRay聯(lián)盟于2000由寶馬公司(BMW)、摩托羅拉(現(xiàn)在是飛思卡爾,F(xiàn)reescale)和菲利普(現(xiàn)在是恩智浦,NXP)、博世(Bosch)、通用汽車、大眾汽車公司創(chuàng)建,其它公司后來加入。FlexRay的設(shè)計旨在滿足未來汽車網(wǎng)絡(luò)的更高要求,特別是快速數(shù)據(jù)速率、實時響應(yīng)能力以及故障容錯性能。不過,目前的焦點是更快的數(shù)據(jù)速率。
物理層應(yīng)用指南明確指出了對FlexRay網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線扼流圈的總體要求,比如引線電阻(<1W)、電感(>50mH)以及雜散電感(<1mH)。對電磁輻射和電磁干擾的測定與CAN總線一樣。不過,由于10Mbit/s的更高傳輸率,需要更加仔細地檢查信號完整性。圖4所示為對具有各種電感的扼流圈與不使用扼流圈的測試板進行DPI測定的相應(yīng)評估結(jié)果。圖五所示為使用另一塊測試板進行電磁干擾測量的結(jié)果,同樣是針對具有不同電感的扼流圈。很明顯可以發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)線扼流圈的使用改善了電磁兼容性并減少了干擾輻射。當(dāng)電感更高時,作用就更大。不過,更高的電感值會對信號完整性產(chǎn)生一定的負面影響。


眼圖適于研究FlexRay的信號完整性。如果數(shù)據(jù)信號的曲線在陰影范圍外,數(shù)據(jù)傳輸即可得以保障。這些要求可以通過使用電感為100mH的B82789C0104扼流圈來實現(xiàn)(見圖6)。鑒于這些電磁兼容性測量的結(jié)果及對數(shù)據(jù)信號的影響可忽略不計的事實(即信號完整性可得到保障),愛普科斯B82789C0104N002(雙線繞組)扼流圈被選作FlexRay物理層合格測試的參考型號。

圖6信號測量,B82789C0104扼流圈的應(yīng)用實現(xiàn)與FlexRay物理層規(guī)范一致的信號完整性。該扼流圈隨后被選作合格測試的參考型號

模型程序庫為產(chǎn)品開發(fā)提供方便
愛普科斯目前可以提供適當(dāng)?shù)哪M模型以提高采用新式扼流圈的設(shè)計的效率。為此,扼流圈在整個相關(guān)頻率范圍的電特性已定義并包括在相應(yīng)的模型中。因為終端電容和電感以及連接的電阻都取決于用戶設(shè)計,所以并沒有包括在模型內(nèi)。客戶不必進行費時的整體系統(tǒng)設(shè)計,就可評估扼流圈的功能。愛普科斯現(xiàn)可供應(yīng)用于初次設(shè)計評估的簡易模型,此類模型能夠?qū)崿F(xiàn)快速和的模擬。模型能夠提供更的模擬結(jié)果,不過需要較長的模擬時間。
由愛普科斯生產(chǎn)的控制器局域網(wǎng)(CAN)總線扼流圈可防止汽車網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的電磁兼容性(EMC)問題,從而提高安全性。FlexRay聯(lián)盟已確認SIMDAD1812為合格測試用參考型號。

關(guān)于扼流圈
英文名稱:choke 扼流圈圖片coil
抗扼交變電流的電感性線圈。利用線圈電抗與頻率成正比關(guān)系,可扼制高頻交流電流,讓低頻和直流通過。根據(jù)頻率高低,采用空氣芯、鐵氧體芯、硅鋼片芯等。用于整流時稱“濾波扼流圈”;用于扼制聲頻電流時稱“聲頻扼流圈”;用于扼制高頻電流時稱“高頻扼流圈”。用于“通直流、阻交流”的電感線圈叫做低頻扼流圈,用于“通低頻、阻高頻”的電感線圈叫做高頻扼流圈。
線圈扼流的原理通俗地來說就是在電流通過時,線圈產(chǎn)生的磁場因自感會阻礙電流產(chǎn)生的磁場,從而使電流延遲通過。“低頻扼流線圈”因延遲的時間比交流電改變方向所需的時間短而阻止交流電通過。“高頻扼流線圈”延遲的時間小于低頻交流電改變方向所需的時間但大于高頻交流電改變方向所需的時間,因而低頻交流電可以通過而高頻交流電不能通過。
扼流圈原理
抗扼交變電流的電感性線圈。利用線圈電抗與頻率成正比關(guān)系,可扼制高頻交流電流,讓低頻和直流通過。根據(jù)頻率高低,采用空氣芯、鐵氧體芯、硅鋼片芯等。用于整流時稱“濾波扼流圈”;用于扼制聲頻電流時稱“聲頻扼流圈”;用于扼制高頻電流時稱“高頻扼流圈”。
高頻扼流圈和低頻扼流圈都是電感線圈。電感線圈有抑制電流變化的特性,電感越大這個效應(yīng)越明顯。這個效應(yīng)對電流的阻礙作用感抗,感抗的大小和電感的工作頻率和它本身電感的大小有關(guān)。
共模電感是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件,它由兩個尺寸相同,匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上,形成一個四端器件,要對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用,而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。原理是流過共模電流時磁環(huán)中的磁通相互疊加,從而具有相當(dāng)大的電感量,對共模電流起到抑制作用,而當(dāng)兩線圈流過差模電流時,磁環(huán)中的磁通相互抵消,幾乎沒有電感量,所以差模電流可以無衰減地通過。因此共模電感在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號,而對線路正常傳輸?shù)牟钅P盘枱o影響。
共模電感在制作時應(yīng)滿足以下要求:
1)繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣,以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。
2)當(dāng)線圈流過瞬時大電流時,磁芯不要出現(xiàn)飽和。
3)線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣,以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。
4)線圈應(yīng)盡可能繞制單層,這樣做可減小線圈的寄生電容,增強線圈對瞬時過電壓的而授能力。
5) 通常情況下,同時注意選擇所需濾波的頻段,共模阻抗越大越好,因此我們在選擇共模電感時需要看器件資料,主要根據(jù)阻抗頻率曲線選擇。另外選擇時注意考慮差模阻抗對信號的影響,主要關(guān)注差模阻抗,特別注意高速端口
在老式甲類音頻功率放大器中的低頻扼流圈,其作用就是“通直流,阻交流”。但是這個理想情況是無法滿足的,只能近似于“通直流,阻交流”。只要滿足放大器的需要,稍微損耗一小部分交流成分也是允許的。在這里扼流圈的感抗要大些。頻率一定(音頻范圍是20kHz——20Hz)的時候就要求電感比較大。一般是毫亨數(shù)量級。
高頻扼流圈一般工作在高頻電流中,其作用大多也是選頻,這是就要求其電感不是很大,一般是微亨數(shù)量級。
其實“通直流,阻交流”和“通低頻阻高頻”的說法是針對應(yīng)用場合來說的。但宗旨都是調(diào)整電感的電感量,來滿足我們的需要。
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