汽車電子系統(tǒng)中的電磁兼容設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

導(dǎo)讀：過去汽車行業(yè)增長的動(dòng)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(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)。

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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)安全系統(tǒng)以及包括GPS在內(nèi)的高級(jí)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(cè)和避碰、執(zhí)行線控剎車和轉(zhuǎn)向或?qū)噧?nèi)環(huán)境實(shí)施智能控制。

對(duì)于通用嵌入式硬件電子平臺(tái)來說，速度和成本是眾所周知的問題。這些平臺(tái)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(jí)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(duì)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(duì)于成功地開發(fā)通用嵌入式電子平臺(tái)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)降低到最小?以保護(hù)電子產(chǎn)品免受其它電子系統(tǒng)(如移動(dòng)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(dòng)機(jī))引起的干擾。

3. 如何將可能對(duì)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(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(hào)狀態(tài)，電磁干擾對(duì)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(cè)試已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)的主要元素。符合性測(cè)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(huì)越高，受到的局限性就可能越大。正因?yàn)槿绱耍瑥腎C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(jí)預(yù)符合性測(cè)試和IC級(jí)測(cè)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(duì)150kHz到1GHz范圍的輻射型和傳導(dǎo)型電磁發(fā)射的測(cè)量。

EMS標(biāo)準(zhǔn) IEC 62132: 針對(duì)150kHz到1GHz范圍的電磁免疫性(抗電磁干擾性)的測(cè)量。

瞬態(tài)標(biāo)準(zhǔn) ISO 7637: 針對(duì)公路車輛引起的傳導(dǎo)和耦合電氣干擾的測(cè)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?chǎng)與基于SPICE的仿真環(huán)境不兼容。在IC設(shè)計(jì)層面，電磁場(chǎng)只能用電場(chǎng)來建模，因?yàn)椋酒头庋b的尺寸比電磁信號(hào)的波長要小得多(1GHz信號(hào)的波長是30cm，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(dòng)信號(hào)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(hào)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(jiǎn)單技術(shù)。

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(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(huì)引起若干擾動(dòng)。這些擾動(dòng)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(duì)于應(yīng)用中需要小信號(hào)的傳感器，能夠處理較大共模信號(hào)的拓?fù)淇赡苡兄诒３窒到y(tǒng)在寬范圍電磁信號(hào)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(hào)對(duì)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(hào)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(hào)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(dòng)電機(jī)或激勵(lì)繼電器，以便將模擬信號(hào)調(diào)理功能與復(fù)雜的數(shù)字處理結(jié)合起來。