現(xiàn)代汽車中的電子設(shè)備不斷增多，因而越來越需要采用良好的設(shè)計(jì)，以滿足主要的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時，越來越高的集成度也讓汽車設(shè)計(jì)師們急需系統(tǒng)芯片專用集成電路和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案，它們可以替換多個分立元件。本文探討了汽車設(shè)計(jì)師所面臨的一些電磁兼容性和集成電路(IC)問題。
現(xiàn)代汽車中的電子設(shè)備在以持續(xù)強(qiáng)勁的勢頭不斷發(fā)展著 — 工程師們?yōu)槠嚨氖孢m、安全、娛樂、動力傳動、發(fā)動機(jī)管理、穩(wěn)定和控制應(yīng)用研制出越來越復(fù)雜的解決方案。而且，先進(jìn)的電子設(shè)備也得到越來越普遍的應(yīng)用。因此，如今甚至是最為普通的汽車也裝配有在幾年前還只專屬于高端汽車的電子設(shè)備。
在過去，舒適和方便性等非關(guān)鍵應(yīng)用促進(jìn)了汽車電子應(yīng)用的發(fā)展。就像電動窗或中控鎖一樣，這些電子應(yīng)用只是替換了現(xiàn)有的機(jī)械系統(tǒng)。最近，汽車電子設(shè)備的范圍擴(kuò)展至支持一些關(guān)鍵的應(yīng)用，例如發(fā)動機(jī)優(yōu)化、主動與被動安全系統(tǒng)和包括全球定位系統(tǒng)在內(nèi)的一些先進(jìn)的信息娛樂系統(tǒng)。
我們目前正在進(jìn)入汽車電子發(fā)展的第三個階段。在這一階段，電子設(shè)備不僅僅起到支持關(guān)鍵功能的作用，而且是控制這些關(guān)鍵功能 — 不論是提供重要的駕駛員信息和控制發(fā)動機(jī)，還是防撞擊探測與預(yù)防、進(jìn)行線控制動與駕駛和智能化氣候控制等。正像您想象的那樣，這些應(yīng)用需要成本低、安裝簡便， 并且智能化和穩(wěn)定性越來越高的電子解決方案。
速度和成本因素促進(jìn)了“通用型”嵌入式硬件電子平臺的誕生。這些平臺可提供基本的或常見的硬件功能，并且可通過專門的應(yīng)用軟件定制提供同一汽車系列中不同型號所需要的功能，甚至也可為不同的汽車制造商定制功能。系統(tǒng)芯片(SoC)半導(dǎo)體解決方案將多種功能集成在一個集成電路中，這樣可減少組件數(shù)量和降低空間要求，同時確保長期可靠性，這對于開發(fā)成功的通用型嵌入式電子平臺極為重要。
電磁兼容性
隨著汽車電子設(shè)備的不斷增多和復(fù)雜電子模塊在汽車各個部位的應(yīng)用越來越廣泛，電磁兼容性問題也越來越成為工程師們所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其中三個主要問題是：
(a) 如何將電磁敏感度降到最低，以使電子設(shè)備不受手機(jī)、全球定位系統(tǒng)或信息娛樂設(shè)備等其它電子系統(tǒng)的電磁發(fā)射的影響。
(b) 如何保護(hù)電子設(shè)備不受惡劣汽車環(huán)境的影響，包括供電系統(tǒng)的瞬變和開關(guān)燈和起動電機(jī)等大負(fù)載或電感負(fù)載時的干擾。
(c) 如何盡量減少可對其它汽車電子電路造成影響的電磁發(fā)射。
而且，隨著系統(tǒng)電壓的增加、車輛電子設(shè)備的增多和更多高頻電子設(shè)備造成的頻率上升，這些問題也變得越來越富挑戰(zhàn)性。此外，許多電子模塊現(xiàn)在也會與線性度差和零點(diǎn)偏移大的低功率廉價傳感器進(jìn)行接口。這些傳感器依賴小信號，電磁干擾對它們的正常工作將是災(zāi)難性的。
兼容性測試、預(yù)兼容性測試和標(biāo)準(zhǔn)
這些問題意味著汽車電磁兼容性測試已成為汽車設(shè)計(jì)的基本要素。兼容性測試已在汽車制造商、他們的供應(yīng)商和各立法機(jī)構(gòu)間標(biāo)準(zhǔn)化。越晚發(fā)現(xiàn)電磁兼容性問題，就越難識別其根本原因，解決方案也可能將更為有限和昂貴。因此，在流程的所有階段均考慮電磁兼容性問題是一個基本做法---從集成電路設(shè)計(jì)和印刷電路板布局到模塊安裝和最終的汽車布局設(shè)計(jì)。為了簡化這一流程，在模塊和集成電路階段考慮電磁兼容性問題的預(yù)兼容性測試已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。
設(shè)計(jì)符合電磁兼容性要求的集成電路和模塊
對于集成電路來說，有三種主要的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)： 電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn) - IEC 61967：測量150千赫至1千兆赫范圍內(nèi)的輻射和傳導(dǎo)性電磁發(fā)射電磁敏感度標(biāo)準(zhǔn) - IEC 62132：測量150千赫至1千兆赫范圍內(nèi)的電磁抗擾性 瞬態(tài)標(biāo)準(zhǔn) - ISO 7637：道路車輛的傳導(dǎo)和耦合造成的電氣干擾。
那么，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師如何確保他們的系統(tǒng)芯片和最終的模塊滿足以上標(biāo)準(zhǔn)？傳統(tǒng)的SPICE模型等此時已毫無用處，因?yàn)殡姶艌雠cSPICE模擬環(huán)境不兼容。因?yàn)樾酒驼麄€組件的尺寸遠(yuǎn)小于電磁信號的波長（1千兆赫時波長為30厘米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于集成電路尺寸），在集成電路水平，電磁場僅使用電場建立模型是足夠準(zhǔn)確的。值得注意的是，輻射發(fā)射和敏感度對于集成電路來說并不是主要問題；而主要問題的是傳導(dǎo)發(fā)射和對印刷電路板和線束上有效天線的敏感性。
采用幾種技術(shù)來確保滿足電磁兼容性的要求，我們將逐一看看電磁發(fā)射和電磁敏感度這兩個問題。
電磁發(fā)射
電磁發(fā)射由作為天線的外部環(huán)路中的高頻電流而產(chǎn)生。這些高頻電流的來源包括對如數(shù)字信號處理和時鐘驅(qū)動器這樣的核心數(shù)字邏輯的翻轉(zhuǎn)(同步邏輯會產(chǎn)生含有大量高頻成分的又大又尖的電流峰值)、模擬電路的動作、開關(guān)數(shù)字輸入/輸出腳和為印刷電路板及線束提供高電流峰值的高功率輸出驅(qū)動器。為了盡量減少這些因素的影響，設(shè)計(jì)師應(yīng)該在盡可能的情況下使用低功率電路，這可能包括降低或使用自適應(yīng)電源電壓或?qū)r鐘信號分布在整個頻域內(nèi)的架構(gòu)。通過關(guān)閉數(shù)字系統(tǒng)中不用的部分也可減少一個時鐘周期內(nèi)開關(guān)元件的數(shù)量。除此以外，對時鐘和驅(qū)動器信號上升/下降沿斜率加以控制以放緩開關(guān)邊緣并提供軟開關(guān)特性也有助于減少電磁發(fā)射。最后，設(shè)計(jì)師也應(yīng)仔細(xì)研究外部的和芯片的布局方法。例如，使用“雙絞”線的差分輸出信號產(chǎn)生的電磁發(fā)射更少，對電磁發(fā)射也更不敏感。確保電源和地彼此靠近和使用高效電源去耦也是減少電磁發(fā)射的簡單方法。
