汽車內(nèi)電磁環(huán)境的建模分類

汽車電子化的進(jìn)展迅速，已經(jīng)進(jìn)入了使用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)高端功能的時(shí)代。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)的全部工序都需要在充分意識(shí)到EMC（Electro-magnetic Compatibility）的體系中實(shí)施。也就是說(shuō)，“EMC設(shè)計(jì)框架”已經(jīng)是不可或缺的機(jī)制。

這一機(jī)制包括了設(shè)計(jì)技術(shù)、EMC對(duì)策、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、交流等產(chǎn)品化所需要的技術(shù)和體制。如果能夠按照生產(chǎn)一線的實(shí)際情況對(duì)這些進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼?，那么就可以靈活應(yīng)對(duì)人們對(duì)于汽車的需求變化。

在這里，筆者將以汽車導(dǎo)航系統(tǒng)（車載導(dǎo)航儀）設(shè)計(jì)一線的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，從汽車部件廠商的角度出發(fā)，介紹對(duì)車載設(shè)備EMC的思考方法、以及設(shè)計(jì)流程的一部分。

電磁輻射強(qiáng)度隨著車載導(dǎo)航儀的高性能而增大

首先介紹車載導(dǎo)航儀的多功能化和高速化。眾所周知，車載導(dǎo)航儀的出發(fā)點(diǎn)是導(dǎo)航，然后才是通過(guò)DSRC（Dedicated Short Range Communications ）、電視、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等通信手段與車外相連接?，F(xiàn)在，車載導(dǎo)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(yīng)商進(jìn)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(dǎo)航儀正在向聯(lián)結(jié)人與機(jī)械（這里指汽車）的HMI（Human Machine InteRFace）中心轉(zhuǎn)變（圖1）。

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

今后，車載導(dǎo)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(gè)主軸的同時(shí)，不斷增加功能（圖2）。因此，與EMC相關(guān)的技術(shù)也將愈發(fā)重要。比如，當(dāng)車載導(dǎo)航儀能夠與車輛內(nèi)各個(gè)儀器聯(lián)動(dòng)，協(xié)助防止沖撞時(shí)，車載導(dǎo)航儀本身作為傳感器，就需要較高的可靠性。這時(shí)，抗擾度（對(duì)于電磁噪聲的耐受性）就會(huì)成為課題。而且，隨著車內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)的拓展，防止與外部?jī)x器之間相互干擾的EMC技術(shù)也愈發(fā)重要。在聲音識(shí)別和停車輔助等車載導(dǎo)航儀本身的多功能化，以及音視頻娛樂(lè)功能的一體化進(jìn)程中，考慮電磁噪聲的發(fā)射問(wèn)題是不可回避的課題。

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

來(lái)自CPU和內(nèi)存的輻射增大

在這里，讓我們來(lái)回顧一下車載導(dǎo)航儀的發(fā)展歷史。1987年作為電子地圖顯示裝置問(wèn)世的車載導(dǎo)航儀，首先于1990年實(shí)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(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音化。接著，進(jìn)入2000年以后，與各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)聯(lián)動(dòng)的多媒體化得到了發(fā)展。

為了實(shí)現(xiàn)上述進(jìn)步，車載導(dǎo)航儀的性能得到了穩(wěn)步提高。以路徑搜索時(shí)間為例，2007年與1990年相比，時(shí)間縮短到了1/10以下。位置誤差（精度）實(shí)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(dǎo)航儀向語(yǔ)音導(dǎo)航儀、多媒體型導(dǎo)航儀轉(zhuǎn)變的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了大幅度的高速化·高精度化

其原動(dòng)力毋庸置疑是CPU的進(jìn)步（即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大規(guī)模化和時(shí)鐘的高速化）。車載導(dǎo)航儀的CPU時(shí)鐘和內(nèi)存總線時(shí)鐘頻率近來(lái)得到了快速提高（圖4）。CPU 時(shí)鐘頻率正在逼近上限，今后，提高性能可能要依賴在一個(gè)LSI內(nèi)配置多個(gè)CPU的多CPU化進(jìn)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(shí)鐘頻率的上升勢(shì)不可擋。

圖4：車載導(dǎo)航儀用CPU/DRAM的高速化趨勢(shì)輻射能的預(yù)測(cè)趨于重要

芯片面積和時(shí)鐘頻率的增加容易導(dǎo)致輻射電磁噪聲增大。因此，對(duì)這些輻射源的輻射進(jìn)行預(yù)測(cè)管理會(huì)逐漸成為重要環(huán)節(jié)。對(duì)于車載導(dǎo)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(yàn)可知，直接來(lái)自于CPU的輻射能指標(biāo)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(biāo)”應(yīng)用到了預(yù)測(cè)管理（圖5（b）注1）之中。內(nèi)存總線的輻射能指標(biāo)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(lái)自CPU的電磁噪聲主要有以下兩個(gè)發(fā)生源：（1）來(lái)自時(shí)鐘線和信號(hào)線的輻射，（2）驅(qū)動(dòng)電路直通電流的輻射。筆者認(rèn)為（2）占主要地位。驅(qū)動(dòng)電路一般由兩個(gè)晶體管的圖騰柱結(jié)構(gòu)組成，在時(shí)鐘的邊緣部分存在電流貫穿上下晶體管的時(shí)刻。該直通電流的輻射是過(guò)流進(jìn)入無(wú)限接近于0的阻抗時(shí)產(chǎn)生的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（1）中充放電電流流經(jīng)時(shí)鐘線和信號(hào)線布線時(shí)的輻射。因此可以認(rèn)為，輻射同樣為（2）較大。

圖5：車載導(dǎo)航儀的CPU/內(nèi)存總線輻射能