汽車電子產(chǎn)品全壽命電磁兼容測試方法

李研強(qiáng)，張曉芳

(山東省科學(xué)院自動化研究所,山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

汽車電子產(chǎn)品全壽命電磁兼容測試方法

李研強(qiáng)，張曉芳

(山東省科學(xué)院自動化研究所,山東省汽車電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

目前，對汽車電子產(chǎn)品的電磁兼容測試主要集中在新產(chǎn)品研發(fā)階段。本文提出了一種汽車電子產(chǎn)品全壽命電磁兼容測試方法，通過建立測試模型、退化模型及驗(yàn)證模型，進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在產(chǎn)品使用壽命期限內(nèi)，隨著使用時間的延長，電磁兼容性能逐漸變差，在某個階段會超出電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，進(jìn)而影響到整車的電磁兼容性。該研究對提高我國汽車電子產(chǎn)品的可靠性、安全性以及電磁兼容水平具有理論及實(shí)踐意義。

汽車電子；全壽命；電磁兼容；測試模型

隨著汽車電子行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子產(chǎn)品的電磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)可靠性逐漸受到業(yè)界的重視。 開展汽車電子產(chǎn)品的電磁兼容性研究，能夠提高國產(chǎn)汽車的整體水平[1]。目前，國內(nèi)外各大汽車制造廠均已根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)制定了不同的EMC標(biāo)準(zhǔn)。美國福特汽車公司制定了汽車電子產(chǎn)品EMC的規(guī)范[2]，其他歐美公司汽車企業(yè)也有相應(yīng)的技術(shù)要求。Deb[3]研究了當(dāng)前國際上EMC測試標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢，認(rèn)為此標(biāo)準(zhǔn)還在不斷地發(fā)展和完善中。近年來，道路車輛功能安全I(xiàn)SO26262標(biāo)準(zhǔn)[4]得到了進(jìn)一步地普及，汽車行業(yè)對全壽命EMC的研究更加重視。Shin等[5-7]從功能安全的角度探討了ISO26262對EMC測試的影響，特別指出汽車電子產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)EMC的重要性。

業(yè)界普遍認(rèn)為汽車電子產(chǎn)品滿足相關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)后，由于EMC引起的產(chǎn)品失效會大大降低。但從已有的ECER10、SAEJ551、SAEJ113等EMC標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容來看，這些標(biāo)準(zhǔn)只是對EMC測試的細(xì)節(jié)，諸如測試環(huán)境、測試步進(jìn)、測試現(xiàn)場布置、測試結(jié)果判斷等進(jìn)行了詳細(xì)的定義，并未對被測件的狀態(tài)進(jìn)行要求，也就是說目前這些標(biāo)準(zhǔn)定義的EMC測試只是某個時間點(diǎn)上的測試，并未考慮某段時間之后的EMC特性。Armstrong[8]的研究表明,隨著使用時間的增加，特別是受外部環(huán)境如溫度、濕度、振動等應(yīng)力的影響，汽車電子產(chǎn)品的EMC特性將會發(fā)生諸如對外輻射超標(biāo)、電源耐受性降低等變化。因此，即使通過了所有的EMC測試，也不能保證產(chǎn)品在使用壽命期限內(nèi)EMC的可靠度，其中一個重要的原因是現(xiàn)有的EMC測試并沒有考慮隨著使用時間的延長，導(dǎo)致汽車電子產(chǎn)品EMC性能改變而引起的可靠性降低的問題。因此，本文通過建立基于加速壽命試驗(yàn)的EMC測試模型，實(shí)現(xiàn)了對汽車電子產(chǎn)品的全壽命EMC測試。

1 汽車電子產(chǎn)品全壽命EMC測試方法的建立

汽車電子產(chǎn)品的全壽命EMC測試方法包括測試模型、退化模型及驗(yàn)證模型三部分。測試模型是該方法研究的整體流程，退化模型是研究汽車電子產(chǎn)品全壽命EMC測試過程中的EMC退化影響因子，驗(yàn)證模型是通過不斷地循環(huán)測試而得到可靠的工程化測試方法。

圖1 汽車電子產(chǎn)品全壽命EMC測試模型Fig.1 EMC testing model of whole life-cycle of automobile electronic products

1.1 汽車電子產(chǎn)品全壽命EMC測試方法的建立

在汽車電子產(chǎn)品的壽命周期內(nèi)，關(guān)鍵芯片(如CMOS)會被如電遷移、柵氧化層崩潰、熱載流子注入等內(nèi)在失效機(jī)制所影響，這些影響因素包括了環(huán)境應(yīng)力(高低溫、濕度、振動)和電應(yīng)力(過電、電脈沖、靜電)等。加速壽命試驗(yàn)通過高水平應(yīng)力(如高溫、高電壓)在短時間內(nèi)加速器件的損壞。如果已知電子產(chǎn)品加速應(yīng)力對應(yīng)的加速因子，以及加速應(yīng)力條件下產(chǎn)品的壽命，就可以利用阿倫尼烏斯定律(Arrhenius Law)等得到普通應(yīng)力下產(chǎn)品的正常使用壽命。

本文采用阿倫尼烏斯定律與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，建立汽車電子產(chǎn)品全壽命EMC測試模型，如圖1所示。該方法通過比對被測對象在自然應(yīng)力和實(shí)驗(yàn)室中施加的環(huán)境和電應(yīng)力前后的EMC特性(如：空間輻射、傳到輻射、大電流注入)，確定環(huán)境與電應(yīng)力對EMC變化的關(guān)系。通過對被測件表征參數(shù)的測量，如電壓、電流、頻率等參數(shù)變化，確定該參數(shù)與EMC的特性相關(guān)聯(lián)，從而確定環(huán)境或電應(yīng)力正交壽命試驗(yàn)的方案。

通過同時比較實(shí)際使用與實(shí)驗(yàn)室模擬使用三年的汽車電子產(chǎn)品EMC特性變化情況，確定關(guān)鍵頻點(diǎn)和幅值。根據(jù)兩次比較結(jié)果修正EMC性能退化模型，計算EMC性能退化軌跡，采用多屬性決策和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法修訂各參數(shù)對EMC特性的影響關(guān)聯(lián)度，并對環(huán)境以及電應(yīng)力正交加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

任何類型的加速應(yīng)力都可能加速產(chǎn)品的失效，但只有在失效機(jī)理保持一致時，不同的加速試驗(yàn)才具有可比性。因此在設(shè)計加速應(yīng)力試驗(yàn)時，需要首先分析不同應(yīng)力及相同應(yīng)力不同等級下的失效機(jī)理，才能設(shè)計出正確的正交試驗(yàn)設(shè)計方案并優(yōu)選產(chǎn)品的關(guān)鍵表征參數(shù)，得到高效、快速、經(jīng)濟(jì)、具有代表性的加速壽命正交試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)合當(dāng)前電子產(chǎn)品可靠性提高的背景，加速壽命正交試驗(yàn)不要求產(chǎn)品完全失效，只需產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生一定量的退化，就可以影響EMC的特性變化。

1.2 EMC性能退化模型

為了更好地研究全壽命EMC的測試方法，需要建立EMC的性能退化模型。通過分析壽命試驗(yàn)前后的EMC特性，將幅度和頻率作為主要的參數(shù)，分析影響EMC性能退化的因子。利用信號與噪聲加干擾之比和干擾源對敏感體的干擾效應(yīng)度量標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)前后的EMC性能進(jìn)行分析和評價，從而建立EMC性能退化模型，如圖2所示。

圖2 EMC性能退化模型Fig.2 Degradation model of EMC

EMC的測試結(jié)果主要表現(xiàn)在頻率和幅值上，而這兩個值是和電子產(chǎn)品的物理組成密切相關(guān)的。如果電子產(chǎn)品的物理特性發(fā)生了變化，那么在EMC測試結(jié)果中的頻率或者幅值上將會有變化。但是，如何通過確定EMC的測試變化與被測件物理特性變化之間的關(guān)系還沒有明確的理論。因此，本文提出的EMC性能退化模型只是定性分析兩者變化之間的關(guān)系，沒有給出兩者之間的精確定量分析。但是該模型可以滿足對全壽命EMC測試方法的研究。

1.3 全壽命EMC測試驗(yàn)證模型

通過多次試驗(yàn)優(yōu)化，采用多變量灰色關(guān)聯(lián)模型及特征選擇驗(yàn)證模型，驗(yàn)證全壽命EMC測試方法，建立實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下汽車電子產(chǎn)品全壽命EMC特性與實(shí)際產(chǎn)品EMC特性的評價驗(yàn)證機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用價值的系統(tǒng)級汽車電子產(chǎn)品全壽命EMC測試與驗(yàn)證模型，如圖3所示。該模型主要提供用于本文提出的測試方法的驗(yàn)證，最終目的是提出實(shí)用化的全壽命EMC測試方法，將該方法進(jìn)行工程化簡化。

圖3 全壽命EMC測試驗(yàn)證模型Fig.3 Verification model of whole life-cycle of EMC testing method

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究對象采用汽車報警器產(chǎn)品，于2006開始研發(fā)、2008年量產(chǎn)裝車，自2008年以來已累計裝車40余萬套，在此過程中積累了大量的測試數(shù)據(jù)和故障分析數(shù)據(jù)，為本研究提供了寶貴的資料。該產(chǎn)品的功能框圖如圖4所示，虛線框內(nèi)的5部分為在汽車電子行業(yè)中具有較強(qiáng)代表性的功能電路， 即主芯片(PIC18F2480)、CAN總線物理層芯片(TJA1054)、PWM驅(qū)動電路(MMBT5551)、開關(guān)量檢測電路(MMBTA92)和電源管理模塊(LM9076)。通過對這5部分電路分別施加電應(yīng)力，觀察電路的EMC變化特性。

研究對象在壽命試驗(yàn)前后分別參考相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行RE、CE、BCI(閉環(huán)法)3項(xiàng)EMC測試，因?yàn)?項(xiàng)測試均可以通過EMC32軟件得到具體數(shù)據(jù)，方便進(jìn)行壽命試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)的對比。在參考AEC-Q100系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過分析現(xiàn)有的加速壽命機(jī)理，分別依照正交法確定的環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力試驗(yàn)方案，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的環(huán)境和電應(yīng)力測試設(shè)備對樣品進(jìn)行加速壽命試驗(yàn) 。

在試驗(yàn)過程中的各種誤差和干擾是不可避免的，為了消除誤差，本文采用多樣品和進(jìn)行多次測量的方法，并通過數(shù)理統(tǒng)計評價各種測量值以進(jìn)行修正。通過概率法確定干擾概率、頻率重疊概率、時間重疊概率、空間重疊概率等干擾因素，并加以去除。

圖4 試驗(yàn)樣品功能框圖Fig.4 Functional block diagram of sample

將加速壽命試驗(yàn)應(yīng)用于全壽命EMC測試時，可將試驗(yàn)分為若干階段進(jìn)行。首先以8 h作為一個階段進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)期間要監(jiān)測報警器的電性能(如電流、端電壓等)，8 h結(jié)束后測量報警器的EMC性能變化；然后再進(jìn)行8 h加速壽命試驗(yàn)，再測EMC性能變化，以此類推，直至產(chǎn)品失效或EMC測試未通過，試驗(yàn)結(jié)束。本文對測試樣品3次電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示，其中No.0是加速壽命試驗(yàn)前被測件電源線上傳導(dǎo)發(fā)射的平均值和峰值的EMC測試結(jié)果；No.1是第一組加速壽命試驗(yàn)后的測試結(jié)果；No.2是第二組的測試結(jié)果。通過比較分析No.0與No.1兩條曲線可以明顯看出，0.15 MHz～1 MHz頻段EMC性能降低約0.5 dB·μV；1 MHz～3 MHz頻段EMC性能變差；在1.805 MHz 頻段峰值出現(xiàn)6 dB·μV的增量；3 MHz～8 MHz頻段EMC性能變好；8 MHz ～108 MHz頻段EMC性能變差。其中30 MHz～108 MHz頻段峰值普遍出現(xiàn)較為明顯的增大，且在52.85 MHz頻段出現(xiàn)6.2 dB·μV的增量。比較No.0與No.3曲線可以發(fā)現(xiàn)，EMC的特性更加惡化，并在30 MHz～100 MHz頻段超出EMC測試標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，進(jìn)而影響到整車的電磁兼容性。

圖5 3次電源線傳導(dǎo)發(fā)射測試結(jié)果曲線比對Fig.5 Comparison of results of three times power line transmission

3 結(jié)論

通過建立全壽命EMC測試模型、退化模型及驗(yàn)證模型，闡述了汽車電子產(chǎn)品的全壽命EMC測試方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了汽車電子產(chǎn)品在經(jīng)過壽命試驗(yàn)后的EMC特性將惡化，因此全壽命EMC測試方法對于保證汽車電子產(chǎn)品的安全與可靠性是非常必要的。本文提出的測試方法，對提高我國汽車電子產(chǎn)品的可靠性、安全性以及EMC水平具有重要的理論及實(shí)踐意義。但是該方法還需要由定性分析轉(zhuǎn)變到定量分析，在后續(xù)工作中將重點(diǎn)分析壽命試驗(yàn)與EMC特性變化之間的定量關(guān)系，完善相關(guān)的理論體系。

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[8] ARMSTRONG K. Specifying life-cycle electromagnetic and physical environments-to help design and test for EMC for functional safety[M]// International Symposium on Electromagnetic Compatibility. [S.l.]:IEEE,2005.

Whole life-cycle EMC testing method for automotive electronic products

LI Yan-qiang ， ZHANG Xiao-fang

(Shandong Provincial Key Laboratoty of Automotive Electronics Technology,Institute of Automation， Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014，China)

∶So far much of the EMC testing of automobile electronic products was centered on the new product development stage. An EMC test method of whole life-cycle of automobile electronic products was proposed in this work. The accelerated life testing was carried out by establishing testing model, degradation model and verification model. Results reveal that in the product life span, EMC performance becomes worse with the prolonged time of use, and will exceed the EMC standards limits at some stage, which could have an adverse impact on the electromagnetic compatibility of the vehicle. This work has theoretical and practical significance to improve the reliability, security, and electromagnetic compatibility of automobile electronic products in China.

∶automobile electronic； whole life-cycle；electromagnetic compatibility；testing model

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.02.020

2016-06-02

山東省科學(xué)院自然科學(xué)基金(201510015)

李研強(qiáng)(1977—)，男，副研究員，研究方向?yàn)殡姶偶嫒菖c汽車主動安全。E-mail：liyq@sdas.org

U463.6

A

1002-4026(2017)02-0133-06