新仿真技術(shù)可抑制汽車系統(tǒng)電磁干擾

汽車中的利用電子控制的系統(tǒng)種類越來越多，如數(shù)字調(diào)頻廣播、遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、GPS、衛(wèi)星數(shù)字電臺(tái)服務(wù)、藍(lán)牙、Wifi等等。消費(fèi)者很熱衷于這些功能，但是在其背后，電氣系統(tǒng)集成電路的時(shí)鐘頻率、電路密度和復(fù)雜度也在持續(xù)增長。大量的接入端口意味著更多的設(shè)備能夠充當(dāng)天線的角色，例如手機(jī)。此外，嵌入式控制單元數(shù)量增多、車載診斷（OBD-Ⅱ）數(shù)據(jù)傳輸率提高、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)總線增加均會(huì)導(dǎo)致潛在電磁干擾的增加。

整車的電磁干擾情況雖可通過仿真來進(jìn)行模擬，但一定要在成型的原型車上進(jìn)行。在這個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。此外，如今的汽車電子系統(tǒng)的復(fù)雜度高，數(shù)量龐大，要對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬是一個(gè)巨大的工程。

不過，研究者最近開發(fā)出了新型模擬仿真方法，能夠在電子系統(tǒng)出錯(cuò)之前就發(fā)現(xiàn)并對(duì)其進(jìn)行修改。例如，新的模擬軟件可識(shí)別高速電子組件中發(fā)出的電磁干擾并確定其電磁輻射對(duì)汽車各個(gè)其他電子系統(tǒng)的影響。與物理原型測試不同，模擬測試能夠同時(shí)考慮各項(xiàng)設(shè)計(jì)之間可能會(huì)發(fā)生的不兼容情況。

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究者確立了幾項(xiàng)能夠降低電子系統(tǒng)電磁干擾的標(biāo)準(zhǔn)。其中，ISO 11451-2標(biāo)準(zhǔn)用來確定車輛對(duì)車外輻射源的免疫能力。該標(biāo)準(zhǔn)的測定方式是：在消聲實(shí)驗(yàn)室中，將需要測試的電子系統(tǒng)打開，并在其周圍安置具有天線功能的設(shè)備，檢測其是否會(huì)受到電磁干擾。執(zhí)行該測試的原型設(shè)備非常昂貴，測試需要大量時(shí)間，大幅限制了開發(fā)效率。

這項(xiàng)測試中模擬時(shí)最大的挑戰(zhàn)是計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行大量的計(jì)算才能模擬出消聲區(qū)域空間。混合有限元和邊界積分方法（FEBI）利用索末菲爾德型積分或許能夠解決這一問題。利用該方法，建模時(shí)計(jì)算機(jī)則無需模擬出空氣區(qū)域的模型，同時(shí)能夠提供精確的遠(yuǎn)場輻射條件計(jì)算。該技術(shù)能夠用于整車模擬，包括復(fù)雜的幾何形狀和電介質(zhì)材料，以更少的計(jì)算機(jī)資源達(dá)到更精確的模擬效果。

在一項(xiàng)研究中，研究者基于ISO 11451-2標(biāo)準(zhǔn)配置了電場分布和頻率頻率為1GHz的天線輻射遠(yuǎn)場模式，并使用常規(guī)的有限元法進(jìn)行測量。仿真中包括測試需要的空氣模型，以及吸收元件。對(duì)于該特定仿真模型，89%的元件用于創(chuàng)建模擬空氣介質(zhì)。通過在高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)上采用域分解法模型，解決了該問題。模擬中，12節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)平臺(tái)花費(fèi)310分鐘以及75GB的數(shù)據(jù)量建立了該空氣模型。

然后，研究者利用混合有限元和邊界積分方法做了同樣的模型測試。有限元建模法中的大型空氣模型被兩個(gè)較小的空氣模型代替，其外面表非常接近天線和被測試車輛。吸收元件也用積分方程的邊界替換，所達(dá)到的結(jié)果是相同的。兩種建模方法中的天線遠(yuǎn)場模式相似，也就是說，混合有限元和邊界積分法與有限元積分法的建模精度是相近的。不過，前者同樣利用12節(jié)點(diǎn)HPC平臺(tái)，僅花了28分鐘和6.8GB的數(shù)據(jù)量就完成了建模，比后者的效率提升了10倍。

混合有限元和邊界積分還可用于測試ECU模塊的抗電磁干擾能力。將一塊印刷電路板（PCB）與發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)線線束連接后，共同添加進(jìn)仿真模型中。信號(hào)由發(fā)動(dòng)機(jī)底部傳感器發(fā)送，通過發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)線線束傳遞至印刷電路板。

為了了解線束系統(tǒng)的作用，研究利用兩個(gè)仿真過程清楚表達(dá)了其特性。在第一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中，將三個(gè)線束與印刷電路板連接。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，將線束移除，并以一個(gè)隨機(jī)J1939隨機(jī)總線信號(hào)直接與印刷電路板連接器相連。結(jié)果表明，印刷電路板在與線束連接時(shí)會(huì)發(fā)生諧振。該諧振的頻率與線纜的長度呈特定的函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明源天線和印刷電路板之間的信號(hào)強(qiáng)度在152MHz-191MHz頻段時(shí)增加了30分貝。

除了抗電磁干擾能力之外，汽車組件的電磁兼容性也非常重要。安全氣囊和娛樂信息系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)取決于ECU的運(yùn)行速率。而MCU的運(yùn)行速率則取決于其接收到的功率大小。印刷電路板設(shè)計(jì)的好壞能夠造成±100毫伏的壓差變化，對(duì)MCU造成的頻率波動(dòng)可達(dá)40-60赫茲，因此印刷電路板的設(shè)計(jì)必須要能夠滿足MCU的工作性能需求。電氣系統(tǒng)中設(shè)計(jì)芯片、封裝、印刷電路板設(shè)計(jì)，因此并不是靠單一廠商的高標(biāo)準(zhǔn)就能實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)高效工作?，F(xiàn)有的組件包裝設(shè)計(jì)采用非常基本的功耗估算法，因此印刷電路板設(shè)計(jì)師往往得不到芯片的瞬態(tài)特性和功耗信息，設(shè)計(jì)非常不便。

芯片功率模型（Chip Power Model，CPM）能夠用于集成電路的低功率系統(tǒng)級(jí)仿真過程中。芯片功率模型中包括一個(gè)SPICE等效電路模型，能夠捕捉到全芯片轉(zhuǎn)換電流的特征以及芯片電網(wǎng)的寄生網(wǎng)絡(luò)。此外，該模型還可實(shí)現(xiàn)集成電路節(jié)能方案設(shè)計(jì)；在布線后階段，它可用于集成電路封裝的優(yōu)化。