简介
汽车行业的快速发展以及自动驾驶汽车和ADAS系统的发展趋势继续推动着汽车行业对更复杂的EMC设计和测试场景的需求。车辆平台的电子设备变得越来越复杂,需要在不影响安全或通信基础设施的情况下提供可靠的功能。
汽车系统中电子产品的增加不仅预示着ecu控制系统的根本变化,还预示着车辆中的通信、信息、安全和移动娱乐系统的根本变化。重要的是,一辆车的所有电子设备都是电磁兼容的,不会干扰外面的系统。
应用于汽车行业的新型无线通信范式要求高性能电子系统以高比特率运行,因此需要根据操作环境以高频率运行。这些新的子系统都必须符合电磁兼容性(EMC)标准。此外,信号的完整性、传输和处理的数据流是关键方面。电子产品的小型化是必须的,因此,制造公差不能再被忽视。标称设计参数的变化会导致不规则行为,从而对EMC、信号完整性和功率(SI / PI)方面产生负面影响。
信号的完整性
从历史上看,工程师们一直将信号完整性测试(SI)作为新系统设计和开发的关键部分,并用于保持标准资格。随着当今云计算对更高系统吞吐量和降低延迟的需求不断增长,客户越来越多地设计具有更严格的设计规范和阻抗控制公差的低损耗层压材料。
通过将仿真模型与仪器相结合,完整性分析不断发展,包括对非均匀跟踪结构、过孔、封装和连接器的详细测量。随着pcb变得越来越复杂,不同分析范围之间的界限变得模糊。信号完整性和功率完整性的概念是密切相关的。项目中的电源完整性问题实际上可以表现为信号完整性问题。这就是为什么执行信号完整性分析对于创建可靠的设计,以及理解和解决实验室中可能遇到的问题非常重要。
数字项目传统上没有遭受与传输线路损失相关的问题,这可能对传输数据产生重大影响。在低速时,频率响应对信号的影响较小。然而,随着速度的增加,高频效应开始出现,甚至较短的线路也会受到串扰和反射等干扰。在这种情况下,电路的特性可以确定为寄生阻抗的函数,寄生阻抗沿着传输线变得普遍
图1:传输线电路模型(左)及一阶近似(在右)
电路模型示例如图1所示。阻抗起着决定信号传输路径完美匹配的重要作用,因此影响信号的质量。线路、源阻抗和负载阻抗之间的不匹配决定了信号的反射,从而导致能量损失和信号退化。在高数据速率下,这可能导致信号超调、欠调和阶跃波形,从而产生信号错误。
阻抗不匹配可以通过使用简单的并联电路方案(见图2)和更复杂的RC终端来克服,其中电阻-电容网络提供低通滤波器来消除低频效应,但传递高频信号。
图2:并联终端电路图
高频信号传输线中的损耗使接收机难以正确地解释信息。在传输线中造成损耗的原因有以下两种:
介电吸收:高频信号激发绝缘中的分子,降低信号电平。介电吸收是指PCB材料。
集肤效应:随着材料自感的增加,高频信号电流倾向于在导体上传播。导电材料的有效减少导致电阻的增加,因此,信号的衰减(图3)。导体中交流电流J的密度从它在表面J上的值呈指数下降年代根据距离地表深度d:
其中ρ是导体的电阻率,ω是角频率,μ是磁导率,ε是材料的介电常数。
图3:PCB截面。当前路由为橙色。蓝色的是地平面和天体是材料的介电。铜PCB痕迹突出显示为黑色。
CMOS电路由于其高速和极低的功耗在许多汽车行业非常受欢迎。理想的CMOS电路只有在改变状态和节点的能力需要充电或放电时才会耗散能量。一般来说,CMOS要求平均10 mA,而排放限制技术主要集中在峰值电压和电流值,而不是平均值。
芯片引脚上电源的上升电流是主要的排放源。通过在每个电源引脚附近放置一个旁路电容器,这个问题得到了限制。较大的电容器提供强电流峰值,往往对高速需求反应不良。非常小的电容器可以对需求做出快速反应,但它们的总充电容量有限,很快就会耗尽。对于大多数电路来说,最好的解决方案是将不同尺寸的并联电容器混合在一起,并联电容可能是1 μ f和0.01 μ f。
汽车设计师感兴趣的一个领域是AM无线电波段。几乎每辆车都配备了收音机,它有一个非常灵敏的高增益可调放大器,从500千赫到1.5兆赫。许多开关电源使用同一频段内的开关频率,这导致了汽车应用中的问题。因此,大多数设备使用高于这个频段的开关频率,通常在2 MHz或更高。
汽车标准
汽车工业和汽车制造商的目标是满足各种有关电磁兼容性(EMC)的要求。例如,有两个要求必须确保电子设备不会发出过多的电磁干扰(EMI)或噪声,并且不受其他系统发出的噪声的影响。
汽车系统有几个接收器安装在汽车周围。IEC委员会制定了保护它们的国际标准。该电磁噪声的国际标准制定为CISPR 25,要求船上电源满足该标准(图4)。
图4:电磁噪声
涉及电磁兼容性(EMC)的汽车标准主要由CISPR、ISO和SAE制定。CISPR和ISO是开发和维护国际使用标准的组织。CISPR 25和ISO 11452-2标准构成了大多数其他标准的基础。
CISPR 25是一个包含不同测试方法的标准。它要求正在进行的测试电磁噪声水平至少比最低测量水平低6db。另一个测试标准是ISO 11452-4大电流注入(BCI),以检查组件是否受到窄带电磁场的负面影响。测试是通过将噪声直接与电流探头耦合在一起进行的。
CISPR 25包含测量频率范围从150 kHz到1000 MHz的无线电干扰的限制和程序。本标准适用于用于车辆、拖车和设备的任何电子/电气组件。CISPR 25定义了如图5所示的测试配置,用于测量仪器发出的辐射的噪声。
图5:EMI辐射噪声测试配置示例
在辐射噪声测量为1ghz或更低的情况下,天线被放置在线束的中间。布线电流(或电压)(或LISN)测量传导噪声。线的长度与辐射噪声的测试条件不同。因此,降低噪声源电平和防止噪声沿线路传播对降低EMI噪声很重要。
电磁兼容测试
当有磁场存在时,导电材料线圈就能起到天线的作用,并将磁场转化为在导线周围流动的电流。这些回路的小尺寸使这些材料的感应效应最小化。这种效应的一个例子是当存在差分数据信号时。用差分线可以在发射机和接收机之间形成环路。另一种常见的环路是两个子系统共享一个电路,例如显示器和ECU设备。
当高速信号通过传输线发送时,遇到特性阻抗的变化,部分信号被反射回来,另一部分沿着电路径继续。然后,反射导致发射。
信号轨道或地平面的中断会引起发射。为此,有必要在信号轨道上避免锐角。为了最小化组件上的反射,重要的是使用小组件,如大小0402,并设置轨道的宽度等于0402组件的宽度。
在尝试解决EMI问题时,一个反复出现的主题是尽可能减少dv/dt或di/dt。在这种情况下,DC-DC变换器似乎是完全无害的,直到开关稳压器比其他线性解决方案更有效。汽车设计师对制造干扰感兴趣的一个领域是AM无线电波段。这些汽车配备了AM解决方案,具有非常灵敏的高增益可调放大器,范围从500 kHz到1.5 MHz。大多数汽车开关电源使用这个频段以上的开关频率,通常在2 MHz或更高。如果滤波器不足以包含这种干扰,就会在整个电路上触发电磁干扰循环。
有几种方法可以实现EMI降噪对策。
扩频时钟产生(SSCG)是一种将时钟源的小频带中的能量以可控的方式分散到较大频带上的方法,从而降低基波和谐波的频谱振幅,以减少时钟辐射。这是通过调制时钟频率与独特的形状,允许达到峰值的EMI减少。
通过在受控模式下改变一个波段上的时钟频率,信号在某一频率上经过的时间就会减少,这样在任何频率上的能量集中就会减少。所以能量分散在降低峰值振幅的频带上。
SSCG提供了一种实现EMC目标的方法。这是一种主动解决方案,保持时钟的完整性,并可以覆盖广泛的频率范围。与使用铁氧体微珠、射频线圈等无源元件抑制EMI的传统方法相比,SSCG使用有源元件集成电路,通过调频降低EMI峰值(图6)。
图6:SSCG降低电磁干扰
电源电路
各种电子设备安装在不同的电源的车辆上。开关电路有助于电源管理解决方案,但本质上是噪声源。在不可能增加开关频率的情况下,有必要引入噪声抑制措施。
汽车系统的DC-DC开关解决方案的开关频率为2 MHz(某些设备除外)。因此,在调幅广播的范围(530千赫~ 1.8兆赫)低于2兆赫时,几乎没有问题,但超过2兆赫时,可能会要求采取对策。特别是,30 MHz以上的高噪声频率是最重要的,因为它会产生干扰,例如中断系统的正确功能。降压DC-DC变换器的原理图如下图7所示。
图7:降压co无电流回路在各种情况下取决于开关位置
回路的寄生电感产生高频电压,因此产生噪声。为了降低这种高频率,需要降低寄生电感和提高开关响应速度。噪声抑制措施不仅限于车辆,也可用于其他工业设备(图8和图9)。
图8:汽车动力系统
图9:IC DC-DC模型降压
一些方法包括使用适当的屏蔽来抑制高达20兆赫的噪声。或立即在电源连接器旁边插入共模停止线圈(CMCC),以抑制20 MHz或更高的共模噪声,或在电源连接器附近插入LPF,以抑制20 MHz或更高的正常模式噪声。在图10中,所描述的实现电路。
图10:采用噪声抑制方法的图9电路模型
结论
汽车更依赖电子设备:ADAS系统和自动驾驶汽车;在所有这些方面,越来越需要在不干扰车辆其他系统的情况下无故障运行。通过选择合适的元器件、材料和PCB进行研究;工程师能够设计出可靠的系统,使汽车系统能够可靠地运行,不受电磁干扰。