【導讀】隨著非常復雜精密的電子產(chǎn)品在汽車應用中的日益普及,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備。工程師也在開發(fā)日益復雜的方案來滿足舒適、安全、娛樂、動力總成、引擎管理、穩(wěn)定性和控制應用的需求,現(xiàn)代車載電子產(chǎn)品的數(shù)量將持續(xù)穩(wěn)定地增長。因此汽車系統(tǒng)的電磁兼容設計顯得格外重要。
過去,汽車電子的增長動力是舒適和便利等與安全無關(guān)的應用。通常,如采用電動升降窗或中控鎖,這些產(chǎn)品只不過是取代了現(xiàn)有的機械系統(tǒng)。最近,汽車電子的范疇已經(jīng)擴展到支持與安全相關(guān)的應用,如引擎優(yōu)化、主被動安全系統(tǒng)以及包括GPS在內(nèi)的高級信息娛樂系統(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)測和避碰、執(zhí)行線控剎車和轉(zhuǎn)向或?qū)噧?nèi)環(huán)境實施智能控制。
對于通用嵌入式硬件電子平臺來說,速度和成本是眾所周知的問題。這些平臺具有基本或公用的硬件功能,通過面向應用的軟件設計,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)級芯片(SoC)半導體器件將各種功能集成到單一芯片之中,減少了對元件數(shù)量和占位空間的要求,在確保長期可靠性的同時,對于成功地開發(fā)通用嵌入式電子平臺是至關(guān)重要的。
電磁兼容性
隨著汽車電子產(chǎn)品數(shù)量的增加和復雜電子模塊在整個車輛中分布的增加,工程師面臨日益嚴峻的電磁兼容性設計挑戰(zhàn),問題主要存在于三個方面:
1. 如何把電磁易感性(EMS)降低到最?。恳员Wo電子產(chǎn)品免受其它電子系統(tǒng)(如移動電話、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、重負載或感性負載(如車燈和啟動機)引起的干擾。
3. 如何將可能對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狀態(tài),電磁干擾對它們工作狀態(tài)的影響可能是災難性的。
符合性和標準
上述問題表明,汽車EMC符合性測試已經(jīng)成為汽車設計的主要元素。符合性測試的標準化一直在車廠、車廠配套供應商及不同的立法團體中進行。然而,EMC問題發(fā)現(xiàn)得越晚,找到EMC問題的根源就越困難,解決方案的成本會越高,受到的局限性就可能越大。正因為如此,從IC設計、PCB量產(chǎn)、模塊的實現(xiàn)到整車的設計的全過程著手考慮EMC問題將是基本的設計方法。為了便于實施這一過程,模塊級預符合性測試和IC級測試已經(jīng)實現(xiàn)了標準化。
設計符合EMC的IC和模塊
下面是IC設計應該遵循的EMC標準:
EME標準 IEC 61967: 針對150kHz到1GHz范圍的輻射型和傳導型電磁發(fā)射的測量。
EMS標準 IEC 62132: 針對150kHz到1GHz范圍的電磁免疫性(抗電磁干擾性)的測量。
瞬態(tài)標準 ISO 7637: 針對公路車輛引起的傳導和耦合電氣干擾的測量。
系統(tǒng)設計工程師如何才能確保其SoC及最終模塊滿足上述標準的要求呢?傳統(tǒng)的SPICE模型(以集成電路設計為重點的模擬電路仿真器)在此不管用,因為電磁場與基于SPICE的仿真環(huán)境不兼容。在IC設計層面,電磁場只能用電場來建模,因為,芯片和封裝的尺寸比電磁信號的波長要小得多(1GHz信號的波長是30cm,遠遠大于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型發(fā)射和易感性等主要問題的原因。
設計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和時鐘驅(qū)動器(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)動器;
為了將這些因素的影響降低到最小,設計工程師應該盡可能采用低功率的電路,包括較低電壓、自適應電源電壓、在頻域上擴譜時鐘信號的架構(gòu)。當數(shù)字系統(tǒng)中某些部分不工作的時候,要將其關(guān)閉以減少單時鐘周期上的元件開關(guān)的數(shù)量。此外,通過把時鐘和驅(qū)動信號的開關(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,設計工程師應該仔細設計外部和芯片的版圖。例如,采用雙絞線的差分輸出信號產(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)的四個最主要干擾效應。高頻電磁功率被部分吸納在IC之中,因此,可能會引起若干擾動。這些
動包括將大的高頻電壓傳入高阻抗節(jié)點及把大的高頻電流傳入低阻抗節(jié)點。
將EMS效應減少到最小的主要辦法是把電路設計勻稱,因而避免可能出現(xiàn)整流現(xiàn)象。采用差分電路拓撲和版圖設計可以做到這一點。即使對于應用中需要小信號的傳感器,能夠處理較大共模信號的拓撲可能有助于保持系統(tǒng)在寬范圍電磁信號內(nèi)保持線性。通過濾波可以限制進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候。采取高共模抑制比(CMRR)和電源抑制比設計(PSRR)也將使電路免受整流干擾,并保持內(nèi)部節(jié)點阻抗為低且所有敏感節(jié)點都在片上。最后,為了避免或控制寄生元件和電流,采用保護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電平與信號對稱。把襯底電流控制在最小并把這些電流聚集在受控點中也是關(guān)鍵。
最新器件
許多設計工程師正在尋求混合信號半導體技術(shù)來為當今的汽車應用提供SoC方案,最新的高壓混合信號技術(shù)特別適合于需要較高電壓輸出的設計,例如驅(qū)動電機或激勵繼電器,以便將模擬信號調(diào)理功能與復雜的數(shù)字處理結(jié)合起來。
至于高壓和混合信號ASIC技術(shù),AMI公司的I2T和I3T系列就是優(yōu)秀的例子。該設計處理的電壓高達80V,基于0.35μm CMOS技術(shù)的I3T80在單芯片內(nèi)集成了復
的數(shù)字電路、嵌入式處理器、存儲器、外圍設備、高壓功能和不同的接口。
AMIS采用混合信號技術(shù)和許多上述優(yōu)秀的EMC設計方法開發(fā)了針對汽車應用的一系列ASSP,包括AMIS-41682標準速度、AMIS-42665和AMIS-30660高速CAN收發(fā)器。對于要求CAN通信速率最高達1Mbps的12V和24V汽車及工業(yè)應用,這些器件為CAN控制器和物理總線之間提供了接口并簡化設計和減少了元件數(shù)量。例如,AMIS-30660完全符合ISO 11898-2標準,并通過CAN控制器的發(fā)送和接收引腳向CAN總線提供差分信令能力;該芯片為設計工程師提供了3.3V或5V邏輯電平接口的選擇,確保兼容現(xiàn)有的應用及即將出現(xiàn)的低電壓設計需求。仔細匹配輸出信號,就可以省略最小化EME所需要的共模扼流圈,同時接收輸入的寬共模電壓范圍(±35V)還可確保高的EMS性能。
電磁兼容設計的重要性
隨著現(xiàn)代汽車中電子設備的增加,越來越要求進行良好的設計以確保符合電磁兼容標準的要求。與此同時,隨著集成度的提高,汽車設計工程師需要系統(tǒng)級芯片ASIC和ASSP方案來替換多個離散元件的方案。