汽車內(nèi)電磁環(huán)境的建模分類

汽車電子化的進展迅速，已經(jīng)進入了使用電子技術實現(xiàn)高端功能的時代。與此同時，在設計階段便考慮電磁環(huán)境的做法也愈發(fā)重要。汽車整體和開發(fā)的全部工序都需要在充分意識到EMC（Electro-magnetic Compatibility）的體系中實施。也就是說，“EMC設計框架”已經(jīng)是不可或缺的機制。

這一機制包括了設計技術、EMC對策、系統(tǒng)開發(fā)、交流等產(chǎn)品化所需要的技術和體制。如果能夠按照生產(chǎn)一線的實際情況對這些進行恰當?shù)恼?，那么就可以靈活應對人們對于汽車的需求變化。

在這里，筆者將以汽車導航系統(tǒng)（車載導航儀）設計一線的經(jīng)驗為依據(jù)，從汽車部件廠商的角度出發(fā)，介紹對車載設備EMC的思考方法、以及設計流程的一部分。

電磁輻射強度隨著車載導航儀的高性能而增大

首先介紹車載導航儀的多功能化和高速化。眾所周知，車載導航儀的出發(fā)點是導航，然后才是通過DSRC（Dedicated Short Range Communications ）、電視、移動網(wǎng)絡等通信手段與車外相連接?，F(xiàn)在，車載導航儀已不再是單純的指路工具，而是發(fā)展成為了能夠借助各類供應商進行多種內(nèi)容交換的雙向交流裝置。為了向駕駛員提供安全、放心、便利、舒適的駕駛環(huán)境，車載導航儀正在向聯(lián)結人與機械（這里指汽車）的HMI（Human Machine InteRFace）中心轉變（圖1）。

               圖1：汽車多媒體全球?qū)Ш絻x從“指路”裝置轉變成了向駕駛員提供“貼心服務”和“愉悅心情”的HMI中

今后，車載導航儀的多媒體化還將繼續(xù)發(fā)展，在兼顧前面提到的“安全放心”、“便利舒適”這兩個主軸的同時，不斷增加功能（圖2）。因此，與EMC相關的技術也將愈發(fā)重要。比如，當車載導航儀能夠與車輛內(nèi)各個儀器聯(lián)動，協(xié)助防止沖撞時，車載導航儀本身作為傳感器，就需要較高的可靠性。這時，抗擾度（對于電磁噪聲的耐受性）就會成為課題。而且，隨著車內(nèi)外網(wǎng)絡的拓展，防止與外部儀器之間相互干擾的EMC技術也愈發(fā)重要。在聲音識別和停車輔助等車載導航儀本身的多功能化，以及音視頻娛樂功能的一體化進程中，考慮電磁噪聲的發(fā)射問題是不可回避的課題。

                         圖2：車載導航儀的多媒體化在兼顧“貼心服務”和“愉悅心情”的同時增加功能。EMC成為重要課題。

來自CPU和內(nèi)存的輻射增大

在這里，讓我們來回顧一下車載導航儀的發(fā)展歷史。1987年作為電子地圖顯示裝置問世的車載導航儀，首先于1990年實現(xiàn)了搜索前往目的地路徑和指路的功能，然后，到1995年左右，指路實現(xiàn)了語音化。接著，進入2000年以后，與各種網(wǎng)絡服務聯(lián)動的多媒體化得到了發(fā)展。

為了實現(xiàn)上述進步，車載導航儀的性能得到了穩(wěn)步提高。以路徑搜索時間為例，2007年與1990年相比，時間縮短到了1/10以下。位置誤差（精度）實現(xiàn)了1/6以下的高精度化（圖3）。

                  圖3：性能的變化圖在從導航儀向語音導航儀、多媒體型導航儀轉變的過程中實現(xiàn)了大幅度的高速化·高精度化

其原動力毋庸置疑是CPU的進步（即計算機系統(tǒng)的大規(guī)模化和時鐘的高速化）。車載導航儀的CPU時鐘和內(nèi)存總線時鐘頻率近來得到了快速提高（圖4）。CPU 時鐘頻率正在逼近上限，今后，提高性能可能要依賴在一個LSI內(nèi)配置多個CPU的多CPU化進程。而另一方面，DRAM的內(nèi)存總線還在以不增加位寬的前提下提高性能，因此，時鐘頻率的上升勢不可擋。

                                         圖4：車載導航儀用CPU/DRAM的高速化趨勢輻射能的預測趨于重要

芯片面積和時鐘頻率的增加容易導致輻射電磁噪聲增大。因此，對這些輻射源的輻射進行預測管理會逐漸成為重要環(huán)節(jié)。對于車載導航儀的核心（Navi-Core），如圖 5（a）所示，CPU和總線是主要輻射源。由經(jīng)驗可知，直接來自于CPU的輻射能指標Pc與工作電壓的平方、工作頻率、芯片面積分別成正比，這些數(shù)值的積被作為“輻射能指標”應用到了預測管理（圖5（b）注1）之中。內(nèi)存總線的輻射能指標Pm也同樣與工作電壓的平方、工作頻率、內(nèi)存總線位寬的積成正比。

注1）來自CPU的電磁噪聲主要有以下兩個發(fā)生源：（1）來自時鐘線和信號線的輻射，（2）驅(qū)動電路直通電流的輻射。筆者認為（2）占主要地位。驅(qū)動電路一般由兩個晶體管的圖騰柱結構組成，在時鐘的邊緣部分存在電流貫穿上下晶體管的時刻。該直通電流的輻射是過流進入無限接近于0的阻抗時產(chǎn)生的，遠遠大于（1）中充放電電流流經(jīng)時鐘線和信號線布線時的輻射。因此可以認為，輻射同樣為（2）較大。

                                              圖5：車載導航儀的CPU/內(nèi)存總線輻射能