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CISPR25方法增强了车载信息娱乐显示器的电磁兼容性

Zong Si Wu、Jenq Shiou Leu，台湾科技大学

本文讨论了在根据CISPR25汽车电磁（EM）兼容性标准规定的准则评估车载信息娱乐（IVI）显示器时，如何减轻与辐射发射不合规相关的挑战。研究结果表明，IVI显示系统违反了这些标准，在555-960MHz频段内的辐射水平超出允许限值2.51dB。深入的分析指出，造成辐射超标的根本原因是嵌入IVI屏幕的印刷电路板组件（PCBA）。为了解决这一问题，本文所述的研究发现，对导电泡沫垫圈进行微调就能解决问题。所做的调整大大降低了辐射干扰，使系统符合现有标准。

挑战

应对IVI系统中的CISPR25挑战

本文所述的研究推进了IVI显示器与CISPR25¹汽车电磁兼容性标准²的一致性，确定PCBA是不符合标准的主要来源。为确保符合标准，我们引入了一种使用导电泡沫垫圈的新型调整方法，以显著降低辐射干扰。这种方法为类似的诊断提供了一种模式，通过提高对IVI系统中电磁干扰的理解，为汽车电子领域做出了贡献。

汽车电子法规

全球针对汽车电子产品的辐射发射法规各不相同，但核心测试和实施原则是一致的。美国的FCC、欧盟的ECE第10号法规和国际上的CISPR25为最大限度地减少干扰和确保电磁兼容性制定了重要标准。日本的VCCI和中国的CQC为全球监管框架做出了贡献，确保了跨地区汽车电子产品的安全性、可靠性和兼容性，从而支持了全球贸易和消费者安全。

汽车电子产品中的辐射发射

汽车电子产品的辐射发射对安全、性能、合规性、品牌声誉和经济成功都构成了风险。辐射发射可能导致乘员健康问题，损害制动和导航等关键汽车功能，并破坏联网汽车的数据交换。遵守国际发射标准对于避免处罚、产品召回或不违反禁令至关重要，这些都会损害品牌形象并导致财务挑战。反之，符合这些标准可以增强市场竞争力、提高消费者信任度并带来经济效益，这也凸显了严格测试和控制措施在汽车电子产品开发中的重要性。

CISPR25的起源

CISPR25由国际电工委员会（IEC）下属的国际无线电干扰特别委员会制定，是车辆、船舶和发动机电磁干扰测试的重要国际标准。CISPR25是为解决自1934年以来发现的射频干扰问题而制定的，主要针对汽车和航海领域，随着汽车电子产品的发展，该标准也在不断演变，以应对电磁干扰的复杂性。该标准已在全球范围内获得认可，并被纳入许多国家的监管框架，以确保符合EMI标准，该标准在全球范围内缓解EMI问题方面发挥着至关重要的作用。

CISPR25认证和测试

CISPR25隶属于IEC，对于车辆、船舶和发动机的电磁干扰（EMI）测试至关重要，其重点是针对电磁干扰的完整性。该标准为法规遵从提供指导，详细规定了传导和辐射发射测试的程序，以确保电磁兼容性。认证过程包括初步审查、在认证实验室进行测试和结果分析，并根据新技术不断更新。CISPR25认证表明了电磁兼容性方面的能力，使产品符合法规要求并取得商业成功。该标准解决了管理汽车电子产品辐射发射的难题，指导制造商遵守EMC标准并解决问题。

研究背景

产生辐射发射

当电流和电压变化导致电磁波传播时，电子设备就会产生辐射发射。这种传播主要是由于快速数字信号切换和时钟振荡造成的。电源、Wi-Fi、蓝牙和机械部件（如电机）也会产生辐射。共模辐射（电流均匀流过导体）是一个重要的辐射源，并通过类似天线的结构和谐振频率放大。减少这些辐射对于电磁兼容性、确保产品符合标准、维护用户安全和质量至关重要。

减少辐射发射

在电子设备的设计和测试过程中，减少辐射发射对符合法规要求和产品质量至关重要。设计阶段需要尽量减少高频元件的使用，采用滤波器限制不需要的频率，将敏感元件与高频元件分开，并采用全面的接地和电源平面来减少辐射。选择低辐射元件并结合阻抗匹配可增强EMI缓解效果。

屏蔽原理

屏蔽包括使用导电或磁性材料包裹设备。它可以阻挡或吸收来自外部和内部的电磁波。在选择材料时，要考虑导电性、设备距离和电磁波频率。有效的屏蔽策略包括确保材料与地面的连通性和尽量减少外壳开口。在这项研究中，导电泡沫垫圈有效减少了PCBA在555-960MHz频率范围内的辐射发射。这证明了屏蔽在减少电磁辐射方面所起的作用，而这对高频应用的汽车电子产品至关重要。

屏蔽可减少产品发射并防止外部辐射干扰。屏蔽效率以dB为单位，是未屏蔽与屏蔽波幅之比。该比率包括吸收损耗、阻抗不连续导致的表面反射损耗和内部反射损耗。高屏蔽效率反映了一种减少辐射能量传播的方法。Clayton R. Paul^3-5提出了一些此类方法的例子，其中对垫圈进行了改装，以防止辐射泄漏。

实验设计

验证辐射发射的测试包括EMC仿真和实验室测试，以识别和解决过量辐射问题，使用屏蔽、滤波和接地技术，确保符合FCC、CE或CISPR等标准。

测试辐射发射频段

汽车电子产品的辐射发射测试要求仿真真实的车辆条件，记录操作参数，如负载和电压，并在测试计划中指定设备方向。根据CISPR25:2016标准，频率在30MHz以下时需要垂直极化，频率在2500MHz以下时需要双极化。推荐的天线包括用于VHF/UHF频率的棒状天线、用于宽带的双锥天线、用于宽范围和方向性的对数周期天线以及用于微波频段高增益的喇叭天线。这种结构化方法可确保在整个汽车行业进行一致的、符合安全标准的测试。表1显示了这些天线的一些特性和应用。

表1：天线特性和应用

辐射干扰限制-ALSE方法

根据CISPR25标准，用于测量辐射干扰的吸收衬里屏蔽外壳（ALSE）^6,7方法包括五个不同的限制等级。每个等级都有其特定的辐射干扰限值，并在相应的表格中明确列出：

•        1级是最宽松的级别，适用于对辐射干扰不太敏感的场景

•        2级比1级有更严格的限制，通常用于普通车辆部件和模块

•        3级是中等水平的限制，通常被大多数汽车制造商视为可接受的最低标准

•        4级包括针对对辐射干扰特别敏感的应用的更严格限制

•        5级是最严格的类别，专门用于对辐射干扰极为敏感的特殊应用。

这些分类级别使车辆制造商和供应商能够根据自身需要选择合适的限制，确保无线电系统在不同环境下的稳定性。图1显示了各种移动服务应用的ALSE辐射干扰限制。

图1：辐射干扰限值示例——ALSE法。

大多数最终用户要求至少达到3级性能。本文所反映的研究证实555-960MHz频段符合CISPR25标准，强调了这些等级在保持合规性和系统可靠性方面的重要性。555-960MHz频段是更广泛的200MHz-1GHz频谱的一部分，需要使用对数周期天线（图2）进行电磁干扰测试。

图2：对数周期天线。⁸

在测量特定频段时，测量环境⁹的设计和天线的选择均符合CISPR25规定。图3展示了测量环境的设置概念。表2显示了各种类型天线的频率响应和极化能力。在本例中，测量频段为555-960MHz，对数周期天线是最佳解决方案。

图3：辐射测量装置中包含对数周期天线。

表2：用于电磁干扰测试的天线选择

天线设置包括对天线进行细致的定位和定向，以最大限度地提高测试精度。设置过程规定了天线与被测设备之间的距离，并详细说明了对数周期天线覆盖的频率范围。此外，还概述了垂直极化和水平极化的使用情况，这可能因测试频率范围而异。表3列出了所有必要测量仪器（如频谱分析仪和电缆）的代表性示例及其连接指导。

表3：电磁干扰暗室设备清单

测试环境也可能有具体要求，如暗室或低反射室，以确保不同测试场所和条件下测试结果的一致性和可比性。需要注意的是，这只是一个概括性的解释，具体内容会随着CISPR25标准的不同版本或修订而变化。概述的设置为实验人员提供了一个参考标准，以确保可靠的测试结果。

实验结果

在555-960MHz的辐射发射测试中，发现了超标值，特别是在特定频率。值得注意的是，806.5MHz频率的平均辐射水平超出规定限值2.51dB，924MHz频率的测量结果比标准高出0.69dB。图4显示了测量结果。

图4：辐射发射结果。

806.5MHz频率是偏差最严重的频率，为解决这些不达标问题，我们对该频率进行了特别关注。如图1所示，根据第5级的严格标准，峰值和平均发射限值分别为49dB(μV)/m和29dB(μV)/m。任何超过这些阈值的频率都被视为故障，必须采取补救措施。图1划分了更宽松的3级和4级标准，峰值限值分别为61dB/m和55dB/m，平均限值分别为41dB/m和35dB/m。测试细节显示，就平均发射而言，806.5MHz频率的读数为31.51dB/m，超出限值2.51dB；924MHz频率的读数为29.69dB/m，超出限值0.69dB。在峰值发射方面，804.5MHz和924MHz频率的测量值分别为40.22dB/m和37.52dB/m，远在第5级峰值限值之内，没有超过49dB(μV)/m的严格限值。

图5：确定问题区域。

图6：使用导电泡沫。

使用近场探头测试汽车显示屏中使用的电路板时，检测到了可能影响屏幕功能的过量电磁干扰。结果显示，在特定频率下会出现明显的峰值，表明电路不稳定。尽管记录了峰值，但测量设备只显示了高噪声水平，而没有提供细节，暗示了电源不稳定、接地不足或组件故障等问题。需要进行更多的测试，以确定噪声源并有效地加以解决。

实施导电泡沫解决方案

图5所示区域被确定为造成振荡的原因，它使测量结果超过了图4中突出显示的极限。这种影响是在机箱内安装PCBA后出现的。在组装机箱之前，这一特定区域的噪声水平并不高。据推测，该区域的噪声增加可能是由于机箱装配时含有金属部件。

为了解决这个问题，我们使用了包裹在导电织物中的泡沫来封装金属区域。经过图6所示的改装后，随后使用近场探头进行的测量显示噪音降低了8dB。这表明采用导电泡沫可有效降低易产生振荡区域的噪音。

最初，806.5MHz的辐射超标2.51dB。安装泡沫后重新测试显示，790MHz的辐射改善了8dB，明显优于原来的水平，证实了泡沫在多个频率上的有效性，包括最初有问题的806.5MHz和924MHz。尽管所有间隔在重新测试时都合格，但由于数值接近失效临界值，建议谨慎使用。值得注意的是，806.5MHz和924MHz的重新测试表明符合CISPR25标准。复测结果如图7所示。

图7：使用导电泡沫的辐射发射结果。

结论

本项研究确定了汽车信息娱乐显示屏的辐射超出CISPR25标准限制的问题。研究指出，屏幕中使用的PCBA是主要辐射源。通过使用导电泡沫对垫圈进行改装，有效降低了辐射水平。不过，研究范围仅限于555-960MHz。它只针对特定型号的汽车屏幕，可能无法普遍适用于其他型号或品牌。未来的研究应涵盖更广的频率范围，并调查PCBA成为重要辐射源的原因，考虑更全面的改进策略。虽然安装导电泡沫是缓解这一问题的有效方法，但辐射的确切来源尚不清楚，这表明需要进一步调查，以确保符合法规要求。

参考文献

1. IEC, International Special Committee on Radio Interference (CISPR) Guidance for Users of the CISPR Standards, February 2015.
2. UNECE, “Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to EM Compatibility,” Regulation No. 10.
3. C. R. Paul, Introduction to EM Compatibility, 1st Ed. John Wiley Sons, 1992.
4. M. P. Robinson, T. M. Benson, C. Christopoulos, J. F. Dawson, M. Ganley, A. C. Marvin, S. J. Porter and D. W. P. Thomas, “Analytical Formulation for the Shielding Effectiveness of Enclosures with Apertures,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., Vol. 40, August 1998, pp. 240–248.
5. M. P. Robinson, J. D. Turner, D. W. P. Thomas, J. F. Dawson, M. D. Ganley, A. C. Marvin, S. J. Porter, T. M. Benson and C. Christopoulos, “Shielding Effectiveness of a Rectangular Enclosure with a Rectangular Aperture,” Electronics Letters, Vol. 32, August 1996, pp. 1559–1560.
6. C. F. M. Carobbi and D. Izzo,” Evaluation and Improvement of the Reproducibility of CISPR 25 ALSE Test Method,” IEEE Transactions on EM Compatibility, Vol. 60, No. 4, August 2018, pp. 1069-1077.
7. C. Carobbi and D. Izzo,” Reproducibility of CISPR 25 ALSE Test Method,” IEEE International Symposium on EM Compatibility Signal/Power Integrity (EMCSI), 2017, pp. 57–62.
8. T. Hegarty, “An Overview of Conducted EMI specifications for Power Supplies,” Texas Instruments, Tech. Rep., June 2018.
9. CISPR, “Vehicles, Boats and Internal Combustion Engines–Radio Disturbance Characteristics–Limits and Methods of Measurement for the Protection of On-board Receivers,” CISPR, Tech. Rep., October 27, 2016.