车零部件EMC整改案例系列专题-BMS产品高频辐射超标整改
BMS高频辐射超标整改案例
公司：深圳市赛盛技术有限公司
作者：忘忧 时间：2019-12-02
一、 现象描述
1. 产品信息
电池、电机、电控技术是电动车核心的部件，这三个部件的应用，是每一辆电动车都需要并且直接影响车辆的续航里程、加速时间等参数。其中电控中核心的功能就是电池管理系统（Battery management system）简称BMS。 BMS主要功能是对整车电池系统充、放电进行管理，通常BMS分为主控和辅控两个部件。在EMC测试中，也需要这两个部件同在一个电磁环境中进行测试。测试环境如下图：
主控作为主被测物，辅控此时当作负载使用，从EMI角度来检验主控从线缆和空间对外辐射发射的能量是否满足要求。
图 1 主控BMS测试示意图
产品接口信息如下列表：
表1 产品接口信息表
接口名称 | 接口数量 | 接口类型 | 信号速率 | 电缆类型 | 备注 |
DC24V | 1 | 接线端子 | 550KHz | 非屏蔽 | |
CAN接口 | 2 | 接线端子 | 500KHz | 屏蔽 | |
绝缘检测 | / | 接线端子 | / | 非屏蔽 | |
开关量 模拟量 | / | 接线端子 | / | 非屏蔽 | |
温度控制 | / | 接线端子 | / | 非屏蔽 | |
菊花链 | / | 接线端子 | 1MHz | 屏蔽 |
2. 试验要求
超标问题频段，依照某车厂的辐射限值要求：数字信号广播频段（Digital Audio Broadcasting 简称DAB） ，测试频段1.447GHz~1.494GHz PK值=34dBuV、AV值=24dBuV.
图 2 超标问题频段限值要求
3. 问题描述
该产品为汽车上使用的电池管理系统，在做电磁兼容RE测试时，发现1.48GHz 超标5dBuV左右，标准要求这段测试频率的限值为24dBuV，如下图所示：
图 3 超标问题频段测试结果
二、 原因分析
辐射问题超标，需要从路径、源头去分析问题，通常辐射超标会存在以下路径：
图 4可能存在的路径示意图
1、 问题定位思路：
² 空间骚扰
空间骚扰是辐射的路径之一，需要确认对外骚扰的路径。
² 传导骚扰
主要是从线缆对外辐射发射，电源线、开关量、模拟量、CAN线等。
2、 路径分析：
从测试结果来看，1.48GHz超标，属于窄带超标。通常高频窄带超标干扰从缝隙出来的可能性较大，需要从结构缝隙方向去考虑，如下图：J1、J2、J3为结构缝隙。
图 5分析缝隙泄露示意图
按照公式 ，其中、 =波长、 =电磁波的频率。
依据 ，得出：
=0.2m
由结构设计缝隙需要≤理论得知，要让1.48GHz频率不能从缝隙泄露出去，缝隙或者螺丝间距需要≤0.01m
1） 螺丝间距大约等于0.2m
2） 开孔间距大约等于0.05m
图 6 结构示意图
对于现有的结构设计，通过一个仿真模型图，对不同距离的缝隙下的屏蔽效能进行仿真。结构三维模型。
图 7 仿真三维模型图
机箱材料为铝，机箱厚度0.002m，缝隙宽度0.001m，缝隙长度分别为0.01m，0.02m，0.03m，0.05m，0.1m，0.2m。
本次仿真采用了slot精简模型，如下图所示，Gap表示缝隙的宽度，Depth表示机箱的实际厚度。Number of segments:表示将缝隙分为几段（如缝隙中有一个安装螺钉，则将缝隙分为两段）。
图 8 slot精简模型
² 仿真结果图如下：
1）缝隙长度（螺丝间距）≤0.01m，在1.5GHz频率左右的屏蔽效能为70dB
图 9 缝隙长度≤0.01m屏蔽效能
2）缝隙长度（螺丝间距）=0.02m，在1.5GHz频率左右的屏蔽效能为60dB
图 10 缝隙长度≤0.02m屏蔽效能
3）缝隙长度（螺丝间距）=0.03m，在1.5GHz频率左右的屏蔽效能为58dB
图 11缝隙长度≤0.03m屏蔽效能
4）缝隙长度（螺丝间距）=0.05m，在1.5GHz频率左右的屏蔽效能为38dB
图 12缝隙长度≤0.05m屏蔽效能
5）缝隙长度（螺丝间距）=0.1m，在1.5GHz频率左右的屏蔽效能为25dB
图 13缝隙长度≤0.1m屏蔽效能
6）缝隙长度（螺丝间距）=0.2m，在1.5GHz频率左右的屏蔽效能为20dB
图 14缝隙长度≤0.02m屏蔽效能
通过公式计算，结合仿真分析得知，长条缝隙和接口开孔都有可能带出辐射发射，依照此思路，把缝隙和接口进行屏蔽，可以通过测试，可以确定骚扰路径来自接口和缝隙。
逐一排查，发现缝隙和接口对干扰能量都有贡献，由于产品特性，接口尺寸无法更改，因此从查找干扰源的方向去找原因。
图 15 缝隙和接口增加铜箔示意图
3、 干扰源分析：
从测试的结果来看，超标点为1.48GHz，主要为窄带超标，需要从晶振和锁相环电路去分析问题。查看相关原理图设计，发现单板的晶振频率为48MHz，使用频谱电场探头进行定位，可以锁定干扰源来自48MHz晶振，如下图。
图 16 频谱定位示意图
检查PCB发现时钟上有增加阻容，电阻为22ohm，但电容有预留位置，没有焊接相应的参数，经过增加22pF电容之后使用频谱定位到骚扰能量有65.29 dBuV（蓝色曲线，绿色曲线为增加措施之后的结果为57 dBuV，下降将近8 dBuV）。
图 17 频谱定位结果图
问题小结：
1） PCB设计上，布线在表层，布线长度大约为7mm，布线距离比较短，因此判定布线不是辐射的主要原因，判断主要干扰源属于晶振带出；
2） 不排除由于布线分布电容、芯片输入电容、晶振对地分布电容的存在而造成谐波分量的存在。
图 18 晶振布局示意图
三、 措施与方案
48MHz晶振的滤波电容C1改为22pF，注意电容选型后需要测试时钟的波形是否有畸变，原理图方案如下：
图 19 时钟滤波设计示意图
注意：
时钟上的滤波电容的选择，需要考虑电容谐振点在该频率下的阻抗最低，理论值按照以下公式进行计算：
其中，FR为谐振频率，单位赫兹（Hz），C为电容的容值，单位为法拉。L为电容的等效串联电感值，单位为亨。
通常情况下，贴片电容等效串联电感L值在1nH左右，计算1.48GHz干扰频率下所需要的电容值为15pF，也可以查相关电容规格书得出最准确参数，实际焊接22pF效果最好。
四、 试验结果
在没有经过改版的情况下，只增加了时钟输出电容C1参数，最终测试测试结果余量有3dBuV,相比整改前下降了8dB。
图20 时钟增加电容后的测试结果
五、 经验分享
EMI问题需要从源头和路径去分析原因；
1、 窄带的骚扰，需要通过测试数据分析规律性，确认干扰源是否为晶振或者其他时钟源所产生；
2、 对于高频信号的超标，除了从源头解决问题，对干扰源头进行局部屏蔽，也可以采取高频吸波材料对该超标频率点进行吸波；
3、 对于结构上的设计，通过波长公式计算，结合仿真结果得出，缝隙越长，屏蔽效能越差，在1.48GHz左右的缝隙需要小于0.02m，开孔不能满足此设计要求的情况下，需要在源头处增加相应屏蔽罩；
4、 注意滤波电容选型时，通过计算得出理论值，考虑到电容厂家的误差、布线的分布电容以及芯片的输入电容等因素的影响，因此对时钟信号增加滤波电容后需要通过示波器测试输出波形是否失真；
5、 有源晶振在设计时，对时钟输入信号需要预留RC滤波，方便后续对于阻抗匹配做出相应的调整。
