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汽车电子系统中的电磁兼容设计挑战

导读: 现在,我们正在迎接汽车电子发展的第三次革命。汽车电子不再仅仅支持关键的功能,而且深入到汽车的控制之中,成功地开发通用嵌入式电子平台非常有意义,减少了对元件数量和占位空间的要求,又确保长期可靠性。

  随着工程师开发日益复杂的方案来满足舒适、安全、娱乐、动力总成、引擎管理、稳定性和控制应用的需求,现代车载电子产品的数量将持续稳定地增长。此外,随着非常复杂精密的电子产品在汽车应用中的日益普及,即使最基本型的车辆也配置了几年前一直是高档车才有的电子设备。

  过去,汽车电子的增长动力是舒适和便利等与安全无关的应用。通常,如采用电动升降窗或中控锁,这些产品只不过是取代了现有的机械系统。最近,汽车电子的范畴已经扩展到支持与安全相关的应用,如引擎优化、主被动安全系统以及包括GPS在内的高级信息娱乐系统。

  现在,我们正在迎接汽车电子发展的第三次革命。汽车电子不再仅仅支持关键的功能,而且深入到汽车的控制之中,提供重要的驾驶员信息、控制引擎、避撞监测和避碰、执行线控刹车和转向或对车内环境实施智能控制。

  对于通用嵌入式硬件电子平台来说,速度和成本是众所周知的问题。这些平台具有基本或公用的硬件功能,通过面向应用的软件设计,可以为同一车型系列或不同车厂的各种车型专门定制功能。系统级芯片(SoC)半导体器件将各种功能集成到单一芯片之中,减少了对元件数量和占位空间的要求,在确保长期可靠性的同时,对于成功地开发通用嵌入式电子平台是至关重要的。

  电磁兼容性

  随着汽车电子产品数量的增加和复杂电子模块在整个车辆中分布的增加,工程师面临日益严峻的电磁兼容性设计挑战,问题主要存在于三个方面:

  1.如何把电磁易感性(EMS)降低到最小?以保护电子产品免受其它电子系统(如移动电话、GPS或信息娱乐系统)的有害电磁辐射的影响。

  2.如何保护电子产品免受恶劣汽车环境的影响?包括电源电压大的瞬间变化、重负载或感性负载(如车灯和启动机)引起的干扰。

  3.如何将可能对其它汽车电子电路产生影响的EME控制为最小?

  随着系统电压、车载电子设备数量以及频率的增加,这些问题将更加具有挑战性。此外,许多电子模块将与廉价的、线性度较低、偏移较大的低功率传感器接口,这些传感器工作在小信号状态,电磁干扰对它们工作状态的影响可能是灾难性的。

  符合性和标准

  上述问题表明,汽车EMC符合性测试已经成为汽车设计的主要元素。符合性测试的标准化一直在车厂、车厂配套供应商及不同的立法团体中进行。然而,EMC问题发现得越晚,找到EMC问题的根源就越困难,解决方案的成本会越高,受到的局限性就可能越大。正因为如此,从IC设计、PCB量产、模块的实现到整车的设计的全过程着手考虑EMC问题将是基本的设计方法。为了便于实施这一过程,模块级预符合性测试和IC级测试已经实现了标准化。

  设计符合EMC的IC和模块

  下面是IC设计应该遵循的EMC标准:

  EME标准 IEC 61967: 针对150kHz到1GHz范围的辐射型和传导型电磁发射的测量。

  EMS标准 IEC 62132: 针对150kHz到1GHz范围的电磁免疫性(抗电磁干扰性)的测量。

  瞬态标准 ISO 7637: 针对公路车辆引起的传导和耦合电气干扰的测量。

  系统设计工程师如何才能确保其SoC及最终模块满足上述标准的要求呢?传统的SPICE模型(以集成电路设计为重点的模拟电路仿真器)在此不管用,因为电磁场与基于SPICE的仿真环境不兼容。在IC设计层面,电磁场只能用电场来建模,因为,芯片和封装的尺寸比电磁信号的波长要小得多(1GHz信号的波长是30cm,远远大于IC的尺寸)。在此要注意的关键是辐射型发射和易感性不是IC的主要问题,印刷电路板和电缆上的有效天线才是引起传导型发射和易感性等主要问题的原因。

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