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汽車電子系統中的電磁兼容設計挑戰

2015-03-30 15:29
flinay
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  隨著工程師開發日益復雜的方案來滿足舒適、安全、娛樂、動力總成、引擎管理、穩定性和控制應用的需求,現代車載電子產品的數量將持續穩定地增長。此外,隨著非常復雜精密的電子產品在汽車應用中的日益普及,即使最基本型的車輛也配置了幾年前一直是高檔車才有的電子設備。

  過去,汽車電子的增長動力是舒適和便利等與安全無關的應用。通常,如采用電動升降窗或中控鎖,這些產品只不過是取代了現有的機械系統。最近,汽車電子的范疇已經擴展到支持與安全相關的應用,如引擎優化、主被動安全系統以及包括GPS在內的高級信息娛樂系統。

  現在,我們正在迎接汽車電子發展的第三次革命。汽車電子不再僅僅支持關鍵的功能,而且深入到汽車的控制之中,提供重要的駕駛員信息、控制引擎、避撞監測和避碰、執行線控剎車和轉向或對車內環境實施智能控制。

  對于通用嵌入式硬件電子平臺來說,速度和成本是眾所周知的問題。這些平臺具有基本或公用的硬件功能,通過面向應用的軟件設計,可以為同一車型系列或不同車廠的各種車型專門定制功能。系統級芯片(SoC)半導體器件將各種功能集成到單一芯片之中,減少了對元件數量和占位空間的要求,在確保長期可靠性的同時,對于成功地開發通用嵌入式電子平臺是至關重要的。

  電磁兼容性

  隨著汽車電子產品數量的增加和復雜電子模塊在整個車輛中分布的增加,工程師面臨日益嚴峻的電磁兼容性設計挑戰,問題主要存在于三個方面:

  1.如何把電磁易感性(EMS)降低到最小?以保護電子產品免受其它電子系統(如移動電話、GPS或信息娛樂系統)的有害電磁輻射的影響。

  2.如何保護電子產品免受惡劣汽車環境的影響?包括電源電壓大的瞬間變化、重負載或感性負載(如車燈和啟動機)引起的干擾。

  3.如何將可能對其它汽車電子電路產生影響的EME控制為最小?

  隨著系統電壓、車載電子設備數量以及頻率的增加,這些問題將更加具有挑戰性。此外,許多電子模塊將與廉價的、線性度較低、偏移較大的低功率傳感器接口,這些傳感器工作在小信號狀態,電磁干擾對它們工作狀態的影響可能是災難性的。

  符合性和標準

  上述問題表明,汽車EMC符合性測試已經成為汽車設計的主要元素。符合性測試的標準化一直在車廠、車廠配套供應商及不同的立法團體中進行。然而,EMC問題發現得越晚,找到EMC問題的根源就越困難,解決方案的成本會越高,受到的局限性就可能越大。正因為如此,從IC設計、PCB量產、模塊的實現到整車的設計的全過程著手考慮EMC問題將是基本的設計方法。為了便于實施這一過程,模塊級預符合性測試和IC級測試已經實現了標準化。

  設計符合EMC的IC和模塊

  下面是IC設計應該遵循的EMC標準:

  EME標準 IEC 61967: 針對150kHz到1GHz范圍的輻射型和傳導型電磁發射的測量。

  EMS標準 IEC 62132: 針對150kHz到1GHz范圍的電磁免疫性(抗電磁干擾性)的測量。

  瞬態標準 ISO 7637: 針對公路車輛引起的傳導和耦合電氣干擾的測量。

  系統設計工程師如何才能確保其SoC及最終模塊滿足上述標準的要求呢?傳統的SPICE模型(以集成電路設計為重點的模擬電路仿真器)在此不管用,因為電磁場與基于SPICE的仿真環境不兼容。在IC設計層面,電磁場只能用電場來建模,因為,芯片和封裝的尺寸比電磁信號的波長要小得多(1GHz信號的波長是30cm,遠遠大于IC的尺寸)。在此要注意的關鍵是輻射型發射和易感性不是IC的主要問題,印刷電路板和電纜上的有效天線才是引起傳導型發射和易感性等主要問題的原因。

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