汽車電容感應的電子系統(tǒng)兼容性

　　產(chǎn)品的電子系統(tǒng)兼容性需要接受電磁兼容性 (EMC) 測試。電子產(chǎn)品在特定地區(qū)銷售和使用前必須通過一系列特定的測試。汽車電子系統(tǒng)有專門的EMC測試，這是因為電子子系統(tǒng)需要在其他產(chǎn)生噪聲的電氣設備附近正常運行。汽車環(huán)境中的振動和溫度范圍也需要進行由AEC-Q100等獨立芯片級別認證流程定義的附加認證。

　　EMC是電子系統(tǒng)在不對其他電子系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負面影響的條件下正常運行的能力。ISO和 IEC兼容性技術規(guī)范包括輻射 (通過空氣傳輸)和傳導(通過線束)測試。每項測試涵蓋了電子子系統(tǒng)的發(fā)射 (從系統(tǒng)向外放射) 和抗擾 (影響被測子系統(tǒng)的外部來源) 能力。因此，共有以下四種不同的EMC測試，并且每種測試對應不同的EMC測試標準：

　　1. 傳導抗擾測試 (ISO11452-4)

　　2. 輻射抗擾測試 (ISO 11452-2)

　　3. 傳導發(fā)射測試 (CISPR25)

　　4. 輻射發(fā)射測試 (CISPR25)

　　實際上，還有第五項測試，稱為靜電放電 (ESD) 測試，也常常與上述EMC測試一起討論。但這項測試與其他測試存在明顯的區(qū)別——該測試使用靜電發(fā)射槍將靜電荷注入子系統(tǒng)中以測量其抗擾性。本文將深入探討前四項EMC測試。

　　下面，我們將以電容傳感應用為例，更詳細地探討EMC測試。此外，本文還將介紹各地區(qū)汽車制造商 (比如豐田、寶馬、大眾等) 規(guī)定的一些自定義EMC測試。我們還將介紹設計兼容汽車環(huán)境的電子系統(tǒng)時的一些系統(tǒng)層面的內(nèi)容以及業(yè)內(nèi)進行EMC測試時所遇到的挑戰(zhàn)。

　　故障級別一覽

　　EMC測試是為了評估被測系統(tǒng)以及周圍的其他系統(tǒng)是否能夠在噪聲環(huán)境中正常運行。汽車環(huán)境中的一些EMC故障癥狀如下：

　　1. 車輛啟動時的非關鍵電子設備故障 (例如：車載娛樂系統(tǒng)、電動車窗控制、車內(nèi)照明等)

　　2. 發(fā)動機控制單元 (ECU) 或制動系統(tǒng)等關鍵電子設備因負載突降過程中的功率激增而發(fā)生故障

　　3. 汽車車載娛樂系統(tǒng)的聲音輸出如同發(fā)動機或起動電機啟動時的聲音

　　4. 汽車跳線跨接啟動過程中對電路造成的永久性破壞

　　5. 電子系統(tǒng)因電氣干擾而出現(xiàn)錯誤和意外重啟

　　汽車制造商通過故障分級確認了上述癥狀的嚴重性。故障分級的典型例子見表1。

　　表 1. 故障分級列表

　　必須注意的是，嚴重程度并不代表故障的重要程度。所有系統(tǒng)，無論是關鍵系統(tǒng)還是非關鍵系統(tǒng)，都可能發(fā)生上述類別中的任何故障。但ECU、制動控制、安全氣囊控制、動力傳動系統(tǒng)等關鍵系統(tǒng)的故障接受程度不同。這些系統(tǒng)不得出現(xiàn)任何故障，即便是級別5的故障也不例外。多媒體、車載娛樂系統(tǒng)、電動車窗等非關鍵系統(tǒng)的接受程度往往較低。根據(jù)故障對系統(tǒng)的整體影響，部分級別4和級別5的故障通常可以接受。接受程度由制造商根據(jù)故障對汽車各子系統(tǒng)可能造成的結果以及解決非關鍵問題的成本決定。

　　汽車集成電路的認證

　　所有電子部件，尤其是用于汽車嵌入式系統(tǒng)的半導體集成電路必須能夠在苛刻的汽車環(huán)境中正常運行。AEC-Q100等設備標準由汽車電子委員會制定，是半導體制造商車用設備認證的指導文件。

　　下面列出了在AEC-Q100認證中測試的部分集成電路主要參數(shù)：

　　1. 零件工作溫度試驗 (一般情況下最高125℃)

　　2. 加速壽命試驗

　　3. 壓力試驗

　　4. 焊線和焊錫球抗剪試驗

　　5. 人體模型 (HBM) ESD試驗和 閂鎖試驗

　　6. 非易失性存儲器耐久試驗

　　7. 短路可靠性鑒定

　　由于汽車系統(tǒng)對電子部件的可靠性有嚴格的要求，因此系統(tǒng)設計師必須選擇經(jīng)過AEC-Q100認證的集成電路。鑒于所涉及的復雜性，建議聯(lián)系制造商獲得本文未涵蓋的有關AEC-Q100認證部件的具體信息。制造商還會為產(chǎn)品提供詳細的文件與應用支持，以便通過汽車EMC測試。

　　系統(tǒng)層面的EMC測試方法

　　EMC實驗能夠定量測試被測系統(tǒng)是否適合用于汽車。該系統(tǒng)還必須在運行過程中足夠“安靜”，從而不干擾周圍的其他設備。在穩(wěn)健性或抗擾測試中，通過線束(傳導抗擾) 或射頻天線 (輻射抗擾) 將外部噪聲注入。在注入噪聲的過程中，觀察系統(tǒng)的運行。注入不同頻率的噪聲，根據(jù)標準規(guī)范中的規(guī)定控制噪聲的強度。

　　為了定量測試被測系統(tǒng)的傳導抗擾性，需按照頻譜強度將線束上的噪聲電壓頻譜繪制成圖表。在輻射抗擾測試中，通過位于標準規(guī)范規(guī)定距離的相應射頻天線獲得噪聲頻譜。無論是哪種情況，頻譜必須低于規(guī)范中規(guī)定的合格限值。表2列出了部分通用的汽車EMC規(guī)范。

　　表2 - 各地區(qū)的EMC標準

　　此外，汽車制造商常常會制定自己的規(guī)范，其中大部分比通用標準更加嚴格。表3列舉了部分車廠自定的汽車EMC標準。

　　表 3 – 車廠自定的EMC標準

　　傳導抗擾測試

　　汽車環(huán)境的傳導抗擾測試在所有EMC測試中最為嚴格，因此，要通過抗擾測試的難度最大。在傳導抗擾測試中，通過線束將噪聲注入系統(tǒng)。系統(tǒng)必須能在噪聲環(huán)境中正常運行。

　　圖1 - ISO-11452 EMC設置線路圖

　　圖1是用于控制乘用車暖通空調(diào)控制單元的電容傳感用戶界面 —— 賽普拉斯PSoC系統(tǒng)。在ISO11452-4 EMC標準測試中，射頻噪聲發(fā)生器通過射頻耦合鉗將噪聲注入被測系統(tǒng)的電源線束中。噪聲的頻率范圍是1MHz 至 400 MHz，強度是射頻耦合鉗中的200mA回路電流 。見圖2。

　　圖 2 – ISO11452-4實驗室設置

　　例如，賽普拉斯CapSense界面等電容傳感界面已代替了許多汽車用戶界面中的機械按鈕?？筛鶕?jù)是否出現(xiàn)以下故障判斷電容觸摸傳感系統(tǒng)的功能是否正常：

　　1. 未出現(xiàn)錯誤的觸摸，即在人未觸摸輸入傳感器時，系統(tǒng)不會檢測到觸摸輸入

　　2. 未出現(xiàn)觸摸靈敏度下降，即用戶無需用力觸碰輸入傳感器，系統(tǒng)就能感應到觸摸輸入

　　3. 未出現(xiàn)卡住現(xiàn)象，即在用戶停止觸摸輸入后，系統(tǒng)不應卡在探測到觸摸的狀態(tài)

　　4. 系統(tǒng)在EMC噪聲注入時不得出現(xiàn)間歇性的重啟。

　　為了通過傳導抗擾測試，在設計系統(tǒng)時必須小心謹慎，包括電壓調(diào)節(jié)器電路的設計以及瞬變電壓抑制 (TVS) 二極管等電路保護元件的使用。尤其是通過12伏汽車蓄電池為子系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓的低紋波汽車電源的設計對于產(chǎn)品的合規(guī)性至關重要。圖3顯示的是ISO11452-4 測試中電源導軌的輸出電壓紋波，藍色表示非汽車電源電路Rev1電路板，紅色表示精心設計的汽車電源 Rev2電路板。

　　圖3 - 不同電源電路傳導抗擾測試過程中的電壓紋波

　　根據(jù)傳導抗擾測試過程中注入的噪聲頻率繪制紋波圖。如圖所示，如果電源電路的設計良好，100MHz區(qū)域的紋波會大幅減弱。此次測試的對象是為汽車暖通空調(diào)用戶界面控制單元設計的賽普拉斯PSoC4電容傳感系統(tǒng)。

　　另一項抗擾測試 —— ISO7637-2 瞬變抗擾測試是汽車系統(tǒng)特有的測試，該測試模擬在跳線跨接啟動、負載突降、點火啟動、電池反接等車內(nèi)事件過程中線束上所產(chǎn)生的典型電氣噪聲。在電源路徑中使用TVS二極管和串聯(lián)電感器等合適的保護設備有助于減少瞬變對被測系統(tǒng)的影響。

　　輻射發(fā)射測試

　　在汽車環(huán)境中，輻射發(fā)射測試對于開關頻率的系統(tǒng)而言尤其重要，比如觸屏車載娛樂系統(tǒng)和包括車內(nèi)藍牙與鑰匙系統(tǒng)在內(nèi)的射頻收發(fā)器等。輻射發(fā)射測試使用射頻天線測量被測系統(tǒng)的發(fā)射頻譜。使用頻譜分析器測量頻譜強度 (FFT振幅)。圖4是電波消聲室內(nèi)測量輻射發(fā)射的實驗室設置。

　　圖4 – 實驗室輻射發(fā)射設置

　　測試頻率及其規(guī)定的振幅限值以各自的EMC標準為準。由于最新的汽車系統(tǒng)所產(chǎn)生的振幅和頻率更高，因此如今EMC標準中的最高頻率已達到5GHz。在大部分情況下，只使用一根射頻天線無法測量較大范圍頻率下的發(fā)射，因此在測量多個頻帶時需要使用多根天線。在這一過程中，所有天線的天線阻抗必需相等，從而可以比較整個頻率范圍。目前，整車制造商都在使用覆蓋全部頻率區(qū)間的寬帶蝶形天線。如圖5所示。

　　圖5 - 用于射頻發(fā)射測試的寬帶蝶形天線

　　減少較高頻率下發(fā)射的方法之一是控制引起發(fā)射的開關信號的上升時間。另一項方法是使用擴展頻譜技術掃描所產(chǎn)生的頻率，從而使所有能量平均分布在更寬的頻帶。有時，制造商將這些方法與特定的部件相集成。例如，為了有效地達到輻射發(fā)射標準，賽普拉斯在其電容傳感技術中同時提供這兩種技術。

　　輻射抗擾測試

　　輻射抗擾測試也使用發(fā)射測試中的天線。在測試中，射頻噪聲通過輻射介質(zhì) (空氣) 被注入到被測系統(tǒng)中。通過測試的標準類似于上文中提到的傳導抗擾測試。使用屏蔽和導體機箱等方法減少輻射對被測系統(tǒng)的影響。

　　傳導發(fā)射測試

　　在傳導發(fā)射測試中，系統(tǒng)將噪聲注入經(jīng)常作為多種子系統(tǒng)總線共軌的電源線 (線束)。在大多數(shù)情況下，汽車的電子子系統(tǒng)不是線束上電氣噪聲的主要來源。假如它們產(chǎn)生明顯的傳導噪音，則可通過在電源接入點設計帶有合適旁路電容器的系統(tǒng)改進結果。

　　EMC兼容性標準方面的挑戰(zhàn)

　　由于在現(xiàn)代汽車中，電子子系統(tǒng)執(zhí)行的是關鍵功能，因此兼容性標準已變得越來越嚴格。許多整車制造商都強制規(guī)定，即便是非關鍵電子子系統(tǒng)都必須通過EMC抗擾測試并且不得產(chǎn)生任何故障，包括上文中的級別5故障。此外，汽車EMC測試所涉及的方面越來越多，子系統(tǒng)的各項功能都需要在各種噪聲頻率下接受完整的測試。非關鍵特性，如子系統(tǒng)的用戶響應時間和低功耗模式等也需要接受完整的測試并且不得出現(xiàn)任何偏差，即便是用戶不通過EMC測試就無法發(fā)現(xiàn)的也不例外。

　　由于目前的EMC測試耗時數(shù)小時，因此需要自動化的EMC測試流程。例如，如果對電容傳感子系統(tǒng)進行一次完整的EMC測試，則僅僅是傳導抗擾測試就需要3小時以上，而整套EMC測試的耗時更是長達20小時以上。由于移動和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用程序往往位于被測系統(tǒng)的附近 (比如用戶攜帶手機或連接WiFi無線網(wǎng)絡的設備進入車內(nèi))，因此，EMC輻射抗擾和發(fā)射測試中的頻帶范圍已擴展到5GHz以外。

　　大部分 EMC都在電波消聲室內(nèi)進行，電波消聲室的墻壁使用的是能夠防止輻射發(fā)射反射的吸波材料。這是一種與汽車子系統(tǒng)實際所在環(huán)境完全不同的理想環(huán)境。因此，有些整車制造商還會使用金屬室或調(diào)諧回響室刻意制造朝被測系統(tǒng)的反射。這樣，他們就能研究這些反射對系統(tǒng)功能和抗擾性的影響。

　　眾所周知，汽車電子子系統(tǒng)的設計難度不斷增加，尤其是在兼容性方面。此外，控制成本和最大程度地減少不斷增加的輻射源使設計變得更加復雜。有時，終端用戶可能帶著不兼容或非汽車級別的設備進入車內(nèi)，從而影響系統(tǒng)的功能。這一點很難通過標準EMC測試發(fā)現(xiàn)。常見的例子是在車內(nèi)不兼容的手機收到來電時，車載娛樂系統(tǒng)會發(fā)出異響。

　　EMC基礎設施方面的挑戰(zhàn)

　　EMC測試中所使用的設備非常昂貴。通常，普通的汽車一級供應商無法購買自行使用的設備，通常的做法是向經(jīng)過認證的EMC實驗室租借場地與設備。但每小時的租賃成本也十分高昂。此外，如果未通過EMC測試，則設計工程師需要修改系統(tǒng) (硬件、固件等) 并且需要付出額外的成本在實驗室再次進行測試。由于EMC實驗室的數(shù)量有限并且等待實驗室“檔期”的一級供應商數(shù)量眾多，因此從設計師申請到實際使用之間需要等到很長的時間，這進一步影響了整體上市時間。

　　減少外部實驗室使用成本并提高效率的一種方法，是公司在內(nèi)部設計場所使用預認證設備調(diào)校系統(tǒng)。預認證設備無法精確測量強度，但可以提供大致的噪聲頻譜供設計師對系統(tǒng)進行微調(diào)。

　　汽車電子子系統(tǒng)的產(chǎn)品兼容性與電磁兼容性已逐漸成為一項越來越大的挑戰(zhàn)。電子產(chǎn)品自設計階段開始就必須把重點放在兼容性上。由于內(nèi)部射頻專業(yè)知識與測試設備有限，因此難以進行測試。為此，僅僅使用符合標準的芯片不足以使公司確保能夠通過汽車子系統(tǒng)EMC測試。芯片制造商需要積極支持他們的芯片產(chǎn)品。雖然應用說明可以描述實現(xiàn)EMC兼容性的最佳方法，但每部子系統(tǒng)都是獨一無二的。因此，您必須有經(jīng)驗豐富的應用工程師幫助您審核硬件原理圖和PCB布局，并且調(diào)校固件參數(shù)。