【技術(shù)】汽車電子系統(tǒng)中的電磁兼容設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

小融一號

隨著工程師開發(fā)日益復(fù)雜的方案來滿足舒適、安全、娛樂、動力總成、引擎管理、穩(wěn)定性和控制應(yīng)用的需求，現(xiàn)代車載電子產(chǎn)品的數(shù)量將持續(xù)穩(wěn)定地增長。此外，隨著非常復(fù)雜精密的電子產(chǎn)品在汽車應(yīng)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(shè)備。

過去，汽車電子的增長動力是舒適和便利等與安全無關(guān)的應(yīng)用。通常，如采用電動升降窗或中控鎖，這些產(chǎn)品只不過是取代了現(xiàn)有的機(jī)械系統(tǒng)。最近，汽車電子的范疇已經(jīng)擴(kuò)展到支持與安全相關(guān)的應(yīng)用，如引擎優(yōu)化、主被動安全系統(tǒng)以及包括GPS在內(nèi)的高級信息娛樂系統(tǒng)。

現(xiàn)在，我們正在迎接汽車電子發(fā)展的第三次革命。汽車電子不再僅僅支持關(guān)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(jiān)測和避碰、執(zhí)行線控剎車和轉(zhuǎn)向或?qū)�車�?nèi)環(huán)境實(shí)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(yīng)用的軟件設(shè)計(jì)，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(tǒng)級芯片(SoC)半導(dǎo)體器件將各種功能集成到單一芯片之中，減少了對元件數(shù)量和占位空間的要求，在確保長期可靠性的同時(shí)，對于成功地開發(fā)通用嵌入式電子平臺是至關(guān)重要的。

電磁兼容性

隨著汽車電子產(chǎn)品數(shù)量的增加和復(fù)雜電子模塊在整個(gè)車輛中分布的增加，工程師面臨日益嚴(yán)峻的電磁兼容性設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，問題主要存在于三個(gè)方面：

1.如何把電磁易感性(EMS)降低到最�。恳员Ｗo(hù)電子產(chǎn)品免受其它電子系統(tǒng)(如移動電話、GPS或信息娛樂系統(tǒng))的有害電磁輻射的影響。

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

3.如何將可能對其它汽車電子電路產(chǎn)生影響的EME控制為最��？

隨著系統(tǒng)電壓、車載電子設(shè)備數(shù)量以及頻率的增加，這些問題將更加具有挑戰(zhàn)性。此外，許多電子模塊將與廉價(jià)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(tài)，電磁干擾對它們工作狀態(tài)的影響可能是災(zāi)難性的。

符合性和標(biāo)準(zhǔn)

上述問題表明，汽車EMC符合性測試已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)的主要元素。符合性測試的標(biāo)準(zhǔn)化一直在車廠、車廠配套供應(yīng)商及不同的立法團(tuán)體中進(jìn)行。然而，EMC問題發(fā)現(xiàn)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?yàn)槿绱�，從IC設(shè)計(jì)、PCB量產(chǎn)、模塊的實(shí)現(xiàn)到整車的設(shè)計(jì)的全過程著手考慮EMC問題將是基本的設(shè)計(jì)方法。為了便于實(shí)施這一過程，模塊級預(yù)符合性測試和IC級測試已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。

設(shè)計(jì)符合EMC的IC和模塊

下面是IC設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的EMC標(biāo)準(zhǔn)：

EME標(biāo)準(zhǔn) IEC 61967：針對150kHz到1GHz范圍的輻射型和傳導(dǎo)型電磁發(fā)射的測量。

EMS標(biāo)準(zhǔn) 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(tài)標(biāo)準(zhǔn) ISO 7637： 針對公路車輛引起的傳導(dǎo)和耦合電氣干擾的測量。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師如何才能確保其SoC及最終模塊滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的要求呢？傳統(tǒng)的SPICE模型(以集成電路設(shè)計(jì)為重點(diǎn)的模擬電路仿真器)在此不管用，因?yàn)殡姶艌雠c基于SPICE的仿真環(huán)境不兼容。在IC設(shè)計(jì)層面，電磁場只能用電場來建模，因?yàn)�，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750px，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IC的尺寸)。在此要注意的關(guān)鍵是輻射型發(fā)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(dǎo)型發(fā)射和易感性等主要問題的原因。

設(shè)計(jì)工程師要采取若干技術(shù)來確保EMC符合性，下面依次考察EME和EMS。

EM發(fā)射

EME(電磁發(fā)射)是由像天線一樣的外部環(huán)路中的高頻電流產(chǎn)生的，這樣的高頻電流包括：

--核心數(shù)字邏輯的開關(guān)，如DSP和時(shí)鐘驅(qū)動器(同步邏輯生成包含許多高頻成分的大量電流尖峰)；

--模擬電路的動作；

--數(shù)字I/O引腳的開關(guān)；

--將大電流尖峰傳遞到電路板和線束的大功率輸出驅(qū)動器；

為了將這些因素的影響降低到最小，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該盡可能采用低功率的電路，包括較低電壓、自適應(yīng)電源電壓、在頻域上擴(kuò)譜時(shí)鐘信號的架構(gòu)。當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)中某些部分不工作的時(shí)候，要將其關(guān)閉以減少單時(shí)鐘周期上的元件開關(guān)的數(shù)量。此外，通過把時(shí)鐘和驅(qū)動信號的開關(guān)邊沿斜率降低并提供軟開關(guān)特性，也有助于減少EME。最后，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該仔細(xì)設(shè)計(jì)外部和芯片的版圖。例如，采用雙絞線的差分輸出信號產(chǎn)生的EME較低，且不易受EME的影響。VDD和VSS彼此之間接近和有效的電源去耦也是降低EME的簡單技術(shù)。

EMS易感性

整流/泵、寄生元件、電流、功耗太大是EMS(電磁易感性)的四個(gè)最主要干擾效應(yīng)。高頻電磁功率被部分吸納在IC之中，因此，可能會引起若干擾動。這些擾動包括將大的高頻電壓傳入高阻抗節(jié)點(diǎn)及把大的高頻電流傳入低阻抗節(jié)點(diǎn)。

將EMS效應(yīng)減少到最小的主要辦法是把電路設(shè)計(jì)勻稱，因而避免可能出現(xiàn)整流現(xiàn)象。采用差分電路拓?fù)浜桶鎴D設(shè)計(jì)可以做到這一點(diǎn)。即使對于應(yīng)用中需要小信號的傳感器，能夠處理較大共模信號的拓?fù)淇赡苡兄�于保持系統(tǒng)在寬范圍電磁信號內(nèi)保持線性。通過濾波可以限制進(jìn)入敏感器件的頻率范圍，這是另外一種常用的技術(shù)，特別是在可以采用片上濾波的時(shí)候。采取高共模抑制比(CMRR)和電源抑制比設(shè)計(jì)(PSRR)也將使電路免受整流干擾，并保持內(nèi)部節(jié)點(diǎn)阻抗為低且所有敏感節(jié)點(diǎn)都在片上。最后，為了避免或控制寄生元件和電流，采用保護(hù)器件將大于所要求的EMS抑制電平的部分鉗位掉是很重要的。該技術(shù)有助于避免整流干擾并維持保護(hù)電平與信號對稱。把襯底電流控制在最小并把這些電流聚集在受控點(diǎn)中也是關(guān)鍵。

AMI公司提供的最新器件

許多設(shè)計(jì)工程師正在尋求混合信號半導(dǎo)體技術(shù)來為當(dāng)今的汽車應(yīng)用提供SoC方案，最新的高壓混合信號技術(shù)特別適合于需要較高電壓輸出的設(shè)計(jì)，例如驅(qū)動電機(jī)或激勵繼電器，以便將模擬信號調(diào)理功能與復(fù)雜的數(shù)字處理結(jié)合起來。

至于高壓和混合信號ASIC技術(shù)，AMI公司的I2T和I3T系列就是優(yōu)秀的例子。該設(shè)計(jì)處理的電壓高達(dá)80V，基于0.35μm CMOS技術(shù)的I3T80在單芯片內(nèi)集成了復(fù)雜的數(shù)字電路、嵌入式處理器、存儲器、外圍設(shè)備、高壓功能和不同的接口。

AMIS采用混合信號技術(shù)和許多上述優(yōu)秀的EMC設(shè)計(jì)方法開發(fā)了針對汽車應(yīng)用的一系列ASSP，包括AMIS-41682標(biāo)準(zhǔn)速度、AMIS-42665和AMIS-30660高速CAN收發(fā)器。對于要求CAN通信速率最高達(dá)1Mbps的12V和24V汽車及工業(yè)應(yīng)用，這些器件為CAN控制器和物理總線之間提供了接口并簡化設(shè)計(jì)和減少了元件數(shù)量。例如，AMIS-30660完全符合ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)，并通過CAN控制器的發(fā)送和接收引腳向CAN總線提供差分信令能力；該芯片為設(shè)計(jì)工程師提供了3.3V或5V邏輯電平接口的選擇，確保兼容現(xiàn)有的應(yīng)用及即將出現(xiàn)的低電壓設(shè)計(jì)需求。仔細(xì)匹配輸出信號，就可以省略最小化EME所需要的共模扼流圈，同時(shí)接收輸入的寬共模電壓范圍(±35V)還可確保高的EMS性能。

電磁兼容設(shè)計(jì)的重要性

隨著現(xiàn)代汽車中電子設(shè)備的增加，越來越要求進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)以確保符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求。與此同時(shí)，隨著集成度的提高，汽車設(shè)計(jì)工程師需要系統(tǒng)級芯片ASIC和ASSP方案來替換多個(gè)離散元件的方案。

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