汽車電子系統(tǒng)中的電磁兼容設計挑戰(zhàn)

導讀：過去汽車行業(yè)增長的動力是舒適與便利，而現(xiàn)在要考慮的是安全和可靠性，隨著汽車電子產(chǎn)品數(shù)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(zhàn)。

隨著工程師開發(fā)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(wěn)定性和控制應用的需求，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，隨著非常復雜精密的電子產(chǎn)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(chǎn)品只不過是取代了現(xiàn)有的機械系統(tǒng)。最近，汽車電子的范疇已經(jīng)擴展到支持與安全相關的應用，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)行線控剎車和轉向或對車內(nèi)環(huán)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(tǒng)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(shù)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(fā)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(chǎn)品數(shù)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(zhàn)，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(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(chǎn)生影響的EME控制為最小?

隨著系統(tǒng)電壓、車載電子設備數(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(jīng)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(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。正因為如此，從IC設計、PCB量產(chǎn)、模塊的實現(xiàn)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(jīng)實現(xiàn)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(fā)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(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(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型發(fā)射和易感性等主要問題的原因。

設計工程師要采取若干技術來確保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，如DSP和時鐘驅動器(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;

--將大電流尖峰傳遞到電路板和線束的大功率輸出驅動器;

為了將這些因素的影響降低到最小，設計工程師應該盡可能采用低功率的電路，包括較低電壓、自適應電源電壓、在頻域上擴譜時鐘信號的架構。當數(shù)字系統(tǒng)中某些部分不工作的時候，要將其關閉以減少單時鐘周期上的元件開關的數(shù)量。此外，通過把時鐘和驅動信號的開關邊沿斜率降低并提供軟開關特性，也有助于減少EME。最后，設計工程師應該仔細設計外部和芯片的版圖。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。

EM易感性

整流/泵、寄生元件、電流、功耗太大是EMS(電磁易感性)的四個最主要干擾效應。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)點及把大的高頻電流傳入低阻抗節(jié)點。

將EMS效應減少到最小的主要辦法是把電路設計勻稱，因而避免可能出現(xiàn)整流現(xiàn)象。采用差分電路拓撲和版圖設計可以做到這一點。即使對于應用中需要小信號的傳感器，能夠處理較大共模信號的拓撲可能有助于保持系統(tǒng)在寬范圍電磁信號內(nèi)保持線性。通過濾波可以限制進入敏感器件的頻率范圍，這是另外一種常用的技術，特別是在可以采用片上濾波的時候。采取高共模抑制比(CMRR)和電源抑制比設計(PSRR)也將使電路免受整流干擾，并保持內(nèi)部節(jié)點阻抗為低且所有敏感節(jié)點都在片上。最后，為了避免或控制寄生元件和電流，采用保護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。該技術有助于避免整流干擾并維持保護電平與信號對稱。把襯底電流控制在最小并把這些電流聚集在受控點中也是關鍵。

AMI公司提供的最新器件

許多設計工程師正在尋求混合信號半導體技術來為當今的汽車應用提供SoC方案，最新的高壓混合信號技術特別適合于需要較高電壓輸出的設計，例如驅動電機或激勵繼電器，以便將模擬信號調(diào)理功能與復雜的數(shù)字處理結合起來。

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

AMIS采用混合信號技術和許多上述優(yōu)秀的EMC設計方法開發(fā)了針對汽車應用的一系列ASSP，包括AMIS-41682標準速度、AMIS-42665和AMIS-30660高速CAN收發(fā)器。對于要求CAN通信速率最高達1Mbps的12V和24V汽車及工業(yè)應用，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計和減少了元件數(shù)量。例如，AMIS-30660完全符合ISO 11898-2標準，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;該芯片為設計工程師提供了3.3V或5V邏輯電平接口的選擇，確保兼容現(xiàn)有的應用及即將出現(xiàn)的低電壓設計需求。仔細匹配輸出信號，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。

電磁兼容設計的重要性

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