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-- 發(fā)布時(shí)間：2010-12-14 11:37:35
-- 汽車內(nèi)電磁環(huán)境的建模分類 (ZT)
Π紫劍青巾Π
2009/5/15 10:51:15
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，“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）。
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，防止與外部儀器之間相互干擾的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，以及音視頻娛樂功能的一體化進(jìn)程中，考慮電磁噪聲的發(fā)射問題是不可回避的課題。
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。
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）來自CPU的電磁噪聲主要有以下兩個(gè)發(fā)生源：（1）來自時(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流進(jìn)入無限接近于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。
把這些輻射能指標(biāo)的變化繪制成圖表可以得到類似于圖5（c）的增長曲線。該指標(biāo)為20以下時(shí)無需特殊對(duì)策，70以下時(shí)需要從設(shè)計(jì)階段開始實(shí)施對(duì)策，如果超過70，憑借現(xiàn)有的知識(shí)則很難找出對(duì)策。因此，2010年之后的對(duì)策技術(shù)開發(fā)將更加重要。
如上所述，隨著電子電路輻射能的增大，從設(shè)計(jì)階段開始研究EMC已經(jīng)成為了不可或缺的步驟。
車輛的電磁環(huán)境整理為3級(jí)
圖6給出的樹形圖對(duì)于理解EMC的整體結(jié)構(gòu)很有幫助，本公司的內(nèi)部培訓(xùn)也經(jīng)常使用。這是按照發(fā)射/抗擾度、傳導(dǎo)/輻射的組合，把EMC分成四個(gè)大類進(jìn)行整理的方法。其中，在設(shè)計(jì)階段的EMC研究和測(cè)量精度方面，尤其需要注意的是電場的輻射。
EMC有國際標(biāo)準(zhǔn)，與發(fā)射相關(guān)的CISPR（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques）、與抗擾度相關(guān)的ISO（International Organization for Standardization）等都被制定成了標(biāo)準(zhǔn)。此外，各國和地區(qū)也通過法律對(duì)發(fā)射和抗擾度進(jìn)行了規(guī)制。
而且，汽車廠商為了使汽車產(chǎn)品能夠上市，還會(huì)沿襲CISPR和ISO的思考方法，自行制定一些部分更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。各汽車廠商制定的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)與CISPR25（用于保護(hù)車載接收器的干擾波限值及測(cè)量法）相比，有時(shí)GPS頻帶和通信頻帶的發(fā)射限值規(guī)定會(huì)偏低，對(duì)于部件廠商而言要求非常嚴(yán)格。
輻射抗擾度的標(biāo)準(zhǔn)同樣如此，某些汽車廠商甚至提出了在雷達(dá)頻帶下抗擾度為600V/m的苛刻要求。與ISO11452（車載儀器的抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）在特定頻率下的期望值為200V/m相比，需要耐受3倍的數(shù)值，所以汽車廠商要求的指標(biāo)更為苛刻。
如上所述，進(jìn)行設(shè)計(jì)需要從發(fā)射和抗擾度兩個(gè)方面出發(fā)，在遵守EMC相關(guān)法令和汽車廠商所要求的指標(biāo)的同時(shí)，使終端用戶感到滿意。對(duì)于設(shè)計(jì)技術(shù)人員而言，重要的是將EMC設(shè)計(jì)視為產(chǎn)品的基本功能之一。
但是，電子儀器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正在車內(nèi)外不斷拓展。車外有借助手機(jī)等的廣域通信網(wǎng)、借助無線LAN的狹域無線系統(tǒng)。車內(nèi)則遍布信息系統(tǒng)、車體系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等多種有線LAN。所涉及的EMC模式按照?qǐng)D7整理為3級(jí)后更加容易理解。如圖，1級(jí)是與發(fā)射塔·無線基站·雷達(dá)等車輛外部相關(guān)的EMC，2級(jí)是與車載導(dǎo)航儀和車載儀器間的干涉相關(guān)的EMC，3級(jí)是與車載導(dǎo)航儀的儀器內(nèi)干涉相關(guān)的EMC。（特約撰稿人：大山 真次，電裝）
這一機(jī)制包括了設(shè)計(jì)技術(shù)、EMC對(duì)策、系統(tǒng)開發(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）。
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| 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中心”。(點(diǎn)擊放大) |
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，防止與外部儀器之間相互干擾的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，以及音視頻娛樂功能的一體化進(jìn)程中，考慮電磁噪聲的發(fā)射問題是不可回避的課題。
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| 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。 |
在這里，讓我們來回顧一下車載導(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）。
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| 圖3：性能的變化圖在從導(dǎo)航儀向語音導(dǎo)航儀、多媒體型導(dǎo)航儀轉(zhuǎn)變的過程中實(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。
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| 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）來自CPU的電磁噪聲主要有以下兩個(gè)發(fā)生源：（1）來自時(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流進(jìn)入無限接近于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。
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| 圖5：車載導(dǎo)航儀的CPU/內(nèi)存總線輻射能 |
把這些輻射能指標(biāo)的變化繪制成圖表可以得到類似于圖5（c）的增長曲線。該指標(biāo)為20以下時(shí)無需特殊對(duì)策，70以下時(shí)需要從設(shè)計(jì)階段開始實(shí)施對(duì)策，如果超過70，憑借現(xiàn)有的知識(shí)則很難找出對(duì)策。因此，2010年之后的對(duì)策技術(shù)開發(fā)將更加重要。
如上所述，隨著電子電路輻射能的增大，從設(shè)計(jì)階段開始研究EMC已經(jīng)成為了不可或缺的步驟。
車輛的電磁環(huán)境整理為3級(jí)
圖6給出的樹形圖對(duì)于理解EMC的整體結(jié)構(gòu)很有幫助，本公司的內(nèi)部培訓(xùn)也經(jīng)常使用。這是按照發(fā)射/抗擾度、傳導(dǎo)/輻射的組合，把EMC分成四個(gè)大類進(jìn)行整理的方法。其中，在設(shè)計(jì)階段的EMC研究和測(cè)量精度方面，尤其需要注意的是電場的輻射。
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| 圖6：EMC的分類樹在設(shè)計(jì)階段研究EMC時(shí)需要特別注意電場輻射噪聲。(點(diǎn)擊圖片放大) |
EMC有國際標(biāo)準(zhǔn)，與發(fā)射相關(guān)的CISPR（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques）、與抗擾度相關(guān)的ISO（International Organization for Standardization）等都被制定成了標(biāo)準(zhǔn)。此外，各國和地區(qū)也通過法律對(duì)發(fā)射和抗擾度進(jìn)行了規(guī)制。
而且，汽車廠商為了使汽車產(chǎn)品能夠上市，還會(huì)沿襲CISPR和ISO的思考方法，自行制定一些部分更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。各汽車廠商制定的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)與CISPR25（用于保護(hù)車載接收器的干擾波限值及測(cè)量法）相比，有時(shí)GPS頻帶和通信頻帶的發(fā)射限值規(guī)定會(huì)偏低，對(duì)于部件廠商而言要求非常嚴(yán)格。
輻射抗擾度的標(biāo)準(zhǔn)同樣如此，某些汽車廠商甚至提出了在雷達(dá)頻帶下抗擾度為600V/m的苛刻要求。與ISO11452（車載儀器的抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）在特定頻率下的期望值為200V/m相比，需要耐受3倍的數(shù)值，所以汽車廠商要求的指標(biāo)更為苛刻。
如上所述，進(jìn)行設(shè)計(jì)需要從發(fā)射和抗擾度兩個(gè)方面出發(fā)，在遵守EMC相關(guān)法令和汽車廠商所要求的指標(biāo)的同時(shí)，使終端用戶感到滿意。對(duì)于設(shè)計(jì)技術(shù)人員而言，重要的是將EMC設(shè)計(jì)視為產(chǎn)品的基本功能之一。
但是，電子儀器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正在車內(nèi)外不斷拓展。車外有借助手機(jī)等的廣域通信網(wǎng)、借助無線LAN的狹域無線系統(tǒng)。車內(nèi)則遍布信息系統(tǒng)、車體系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等多種有線LAN。所涉及的EMC模式按照?qǐng)D7整理為3級(jí)后更加容易理解。如圖，1級(jí)是與發(fā)射塔·無線基站·雷達(dá)等車輛外部相關(guān)的EMC，2級(jí)是與車載導(dǎo)航儀和車載儀器間的干涉相關(guān)的EMC，3級(jí)是與車載導(dǎo)航儀的儀器內(nèi)干涉相關(guān)的EMC。（特約撰稿人：大山 真次，電裝）
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| 圖7：EMC的3級(jí)分類 |