汽車電容感應(yīng)的電子系統(tǒng)兼容性

　　產(chǎn)品的電子系統(tǒng)兼容性需要接受電磁兼容性 (EMC) 測試。電子產(chǎn)品在特定地區(qū)銷售和使用前必須通過一系列特定的測試。汽車電子系統(tǒng)有專門的EMC測試，這是因為電子子系統(tǒng)需要在其他產(chǎn)生噪聲的電氣設(shè)備附近正常運行。汽車環(huán)境中的振動和溫度范圍也需要進行由AEC-Q100等獨立芯片級別認(rèn)證流程定義的附加認(rèn)證。

　　EMC是電子系統(tǒng)在不對其他電子系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響的條件下正常運行的能力。ISO和 IEC兼容性技術(shù)規(guī)范包括輻射 (通過空氣傳輸)和傳導(dǎo)(通過線束)測試。每項測試涵蓋了電子子系統(tǒng)的發(fā)射 (從系統(tǒng)向外放射) 和抗擾 (影響被測子系統(tǒng)的外部來源) 能力。因此，共有以下四種不同的EMC測試，并且每種測試對應(yīng)不同的EMC測試標(biāo)準(zhǔn)：

　　1. 傳導(dǎo)抗擾測試 (ISO11452-4)

　　2. 輻射抗擾測試 (ISO 11452-2)

　　3. 傳導(dǎo)發(fā)射測試 (CISPR25)

　　4. 輻射發(fā)射測試 (CISPR25)

　　實際上，還有第五項測試，稱為靜電放電 (ESD) 測試，也常常與上述EMC測試一起討論。但這項測試與其他測試存在明顯的區(qū)別——該測試使用靜電發(fā)射槍將靜電荷注入子系統(tǒng)中以測量其抗擾性。本文將深入探討前四項EMC測試。

　　下面，我們將以電容傳感應(yīng)用為例，更詳細地探討EMC測試。此外，本文還將介紹各地區(qū)汽車制造商 (比如豐田、寶馬、大眾等) 規(guī)定的一些自定義EMC測試。我們還將介紹設(shè)計兼容汽車環(huán)境的電子系統(tǒng)時的一些系統(tǒng)層面的內(nèi)容以及業(yè)內(nèi)進行EMC測試時所遇到的挑戰(zhàn)。

　　故障級別一覽

　　EMC測試是為了評估被測系統(tǒng)以及周圍的其他系統(tǒng)是否能夠在噪聲環(huán)境中正常運行。汽車環(huán)境中的一些EMC故障癥狀如下：

　　1. 車輛啟動時的非關(guān)鍵電子設(shè)備故障 (例如：車載娛樂系統(tǒng)、電動車窗控制、車內(nèi)照明等)

　　2. 發(fā)動機控制單元 (ECU) 或制動系統(tǒng)等關(guān)鍵電子設(shè)備因負(fù)載突降過程中的功率激增而發(fā)生故障

　　3. 汽車車載娛樂系統(tǒng)的聲音輸出如同發(fā)動機或起動電機啟動時的聲音

　　4. 汽車跳線跨接啟動過程中對電路造成的永久性破壞

　　5. 電子系統(tǒng)因電氣干擾而出現(xiàn)錯誤和意外重啟

　　汽車制造商通過故障分級確認(rèn)了上述癥狀的嚴(yán)重性。故障分級的典型例子見表1。

　　表 1. 故障分級列表

　　必須注意的是，嚴(yán)重程度并不代表故障的重要程度。所有系統(tǒng)，無論是關(guān)鍵系統(tǒng)還是非關(guān)鍵系統(tǒng)，都可能發(fā)生上述類別中的任何故障。但ECU、制動控制、安全氣囊控制、動力傳動系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的故障接受程度不同。這些系統(tǒng)不得出現(xiàn)任何故障，即便是級別5的故障也不例外。多媒體、車載娛樂系統(tǒng)、電動車窗等非關(guān)鍵系統(tǒng)的接受程度往往較低。根據(jù)故障對系統(tǒng)的整體影響，部分級別4和級別5的故障通?？梢越邮?。接受程度由制造商根據(jù)故障對汽車各子系統(tǒng)可能造成的結(jié)果以及解決非關(guān)鍵問題的成本決定。

　　汽車集成電路的認(rèn)證

　　所有電子部件，尤其是用于汽車嵌入式系統(tǒng)的半導(dǎo)體集成電路必須能夠在苛刻的汽車環(huán)境中正常運行。AEC-Q100等設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)由汽車電子委員會制定，是半導(dǎo)體制造商車用設(shè)備認(rèn)證的指導(dǎo)文件。

　　下面列出了在AEC-Q100認(rèn)證中測試的部分集成電路主要參數(shù)：

　　1. 零件工作溫度試驗 (一般情況下最高125℃)

　　2. 加速壽命試驗

　　3. 壓力試驗

　　4. 焊線和焊錫球抗剪試驗

　　5. 人體模型 (HBM) ESD試驗和 閂鎖試驗

　　6. 非易失性存儲器耐久試驗

　　7. 短路可靠性鑒定

　　由于汽車系統(tǒng)對電子部件的可靠性有嚴(yán)格的要求，因此系統(tǒng)設(shè)計師必須選擇經(jīng)過AEC-Q100認(rèn)證的集成電路。鑒于所涉及的復(fù)雜性，建議聯(lián)系制造商獲得本文未涵蓋的有關(guān)AEC-Q100認(rèn)證部件的具體信息。制造商還會為產(chǎn)品提供詳細的文件與應(yīng)用支持，以便通過汽車EMC測試。

　　系統(tǒng)層面的EMC測試方法

　　EMC實驗?zāi)軌蚨繙y試被測系統(tǒng)是否適合用于汽車。該系統(tǒng)還必須在運行過程中足夠“安靜”，從而不干擾周圍的其他設(shè)備。在穩(wěn)健性或抗擾測試中，通過線束(傳導(dǎo)抗擾) 或射頻天線 (輻射抗擾) 將外部噪聲注入。在注入噪聲的過程中，觀察系統(tǒng)的運行。注入不同頻率的噪聲，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的規(guī)定控制噪聲的強度。

　　為了定量測試被測系統(tǒng)的傳導(dǎo)抗擾性，需按照頻譜強度將線束上的噪聲電壓頻譜繪制成圖表。在輻射抗擾測試中，通過位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定距離的相應(yīng)射頻天線獲得噪聲頻譜。無論是哪種情況，頻譜必須低于規(guī)范中規(guī)定的合格限值。表2列出了部分通用的汽車EMC規(guī)范。

　　表2 - 各地區(qū)的EMC標(biāo)準(zhǔn)

　　此外，汽車制造商常常會制定自己的規(guī)范，其中大部分比通用標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。表3列舉了部分車廠自定的汽車EMC標(biāo)準(zhǔn)。

　　表 3 – 車廠自定的EMC標(biāo)準(zhǔn)

　　傳導(dǎo)抗擾測試

　　汽車環(huán)境的傳導(dǎo)抗擾測試在所有EMC測試中最為嚴(yán)格，因此，要通過抗擾測試的難度最大。在傳導(dǎo)抗擾測試中，通過線束將噪聲注入系統(tǒng)。系統(tǒng)必須能在噪聲環(huán)境中正常運行。

　　圖1 - ISO-11452 EMC設(shè)置線路圖

　　圖1是用于控制乘用車暖通空調(diào)控制單元的電容傳感用戶界面 —— 賽普拉斯PSoC系統(tǒng)。在ISO11452-4 EMC標(biāo)準(zhǔn)測試中，射頻噪聲發(fā)生器通過射頻耦合鉗將噪聲注入被測系統(tǒng)的電源線束中。噪聲的頻率范圍是1MHz 至 400 MHz，強度是射頻耦合鉗中的200mA回路電流 。見圖2。

　　圖 2 – ISO11452-4實驗室設(shè)置

　　例如，賽普拉斯CapSense界面等電容傳感界面已代替了許多汽車用戶界面中的機械按鈕。可根據(jù)是否出現(xiàn)以下故障判斷電容觸摸傳感系統(tǒng)的功能是否正常：

　　1. 未出現(xiàn)錯誤的觸摸，即在人未觸摸輸入傳感器時，系統(tǒng)不會檢測到觸摸輸入

　　2. 未出現(xiàn)觸摸靈敏度下降，即用戶無需用力觸碰輸入傳感器，系統(tǒng)就能感應(yīng)到觸摸輸入

　　3. 未出現(xiàn)卡住現(xiàn)象，即在用戶停止觸摸輸入后，系統(tǒng)不應(yīng)卡在探測到觸摸的狀態(tài)

　　4. 系統(tǒng)在EMC噪聲注入時不得出現(xiàn)間歇性的重啟。

　　為了通過傳導(dǎo)抗擾測試，在設(shè)計系統(tǒng)時必須小心謹(jǐn)慎，包括電壓調(diào)節(jié)器電路的設(shè)計以及瞬變電壓抑制 (TVS) 二極管等電路保護元件的使用。尤其是通過12伏汽車蓄電池為子系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓的低紋波汽車電源的設(shè)計對于產(chǎn)品的合規(guī)性至關(guān)重要。圖3顯示的是ISO11452-4 測試中電源導(dǎo)軌的輸出電壓紋波，藍色表示非汽車電源電路Rev1電路板，紅色表示精心設(shè)計的汽車電源 Rev2電路板。

　　圖3 - 不同電源電路傳導(dǎo)抗擾測試過程中的電壓紋波

　　根據(jù)傳導(dǎo)抗擾測試過程中注入的噪聲頻率繪制紋波圖。如圖所示，如果電源電路的設(shè)計良好，100MHz區(qū)域的紋波會大幅減弱。此次測試的對象是為汽車暖通空調(diào)用戶界面控制單元設(shè)計的賽普拉斯PSoC4電容傳感系統(tǒng)。

　　另一項抗擾測試 —— ISO7637-2 瞬變抗擾測試是汽車系統(tǒng)特有的測試，該測試模擬在跳線跨接啟動、負(fù)載突降、點火啟動、電池反接等車內(nèi)事件過程中線束上所產(chǎn)生的典型電氣噪聲。在電源路徑中使用TVS二極管和串聯(lián)電感器等合適的保護設(shè)備有助于減少瞬變對被測系統(tǒng)的影響。

　　輻射發(fā)射測試

　　在汽車環(huán)境中，輻射發(fā)射測試對于開關(guān)頻率的系統(tǒng)而言尤其重要，比如觸屏車載娛樂系統(tǒng)和包括車內(nèi)藍牙與鑰匙系統(tǒng)在內(nèi)的射頻收發(fā)器等。輻射發(fā)射測試使用射頻天線測量被測系統(tǒng)的發(fā)射頻譜。使用頻譜分析器測量頻譜強度 (FFT振幅)。圖4是電波消聲室內(nèi)測量輻射發(fā)射的實驗室設(shè)置。

　　圖4 – 實驗室輻射發(fā)射設(shè)置

　　測試頻率及其規(guī)定的振幅限值以各自的EMC標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。由于最新的汽車系統(tǒng)所產(chǎn)生的振幅和頻率更高，因此如今EMC標(biāo)準(zhǔn)中的最高頻率已達到5GHz。在大部分情況下，只使用一根射頻天線無法測量較大范圍頻率下的發(fā)射，因此在測量多個頻帶時需要使用多根天線。在這一過程中，所有天線的天線阻抗必需相等，從而可以比較整個頻率范圍。目前，整車制造商都在使用覆蓋全部頻率區(qū)間的寬帶蝶形天線。如圖5所示。

　　圖5 - 用于射頻發(fā)射測試的寬帶蝶形天線

　　減少較高頻率下發(fā)射的方法之一是控制引起發(fā)射的開關(guān)信號的上升時間。另一項方法是使用擴展頻譜技術(shù)掃描所產(chǎn)生的頻率，從而使所有能量平均分布在更寬的頻帶。有時，制造商將這些方法與特定的部件相集成。例如，為了有效地達到輻射發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，賽普拉斯在其電容傳感技術(shù)中同時提供這兩種技術(shù)。

　　輻射抗擾測試

　　輻射抗擾測試也使用發(fā)射測試中的天線。在測試中，射頻噪聲通過輻射介質(zhì) (空氣) 被注入到被測系統(tǒng)中。通過測試的標(biāo)準(zhǔn)類似于上文中提到的傳導(dǎo)抗擾測試。使用屏蔽和導(dǎo)體機箱等方法減少輻射對被測系統(tǒng)的影響。

　　傳導(dǎo)發(fā)射測試

　　在傳導(dǎo)發(fā)射測試中，系統(tǒng)將噪聲注入經(jīng)常作為多種子系統(tǒng)總線共軌的電源線 (線束)。在大多數(shù)情況下，汽車的電子子系統(tǒng)不是線束上電氣噪聲的主要來源。假如它們產(chǎn)生明顯的傳導(dǎo)噪音，則可通過在電源接入點設(shè)計帶有合適旁路電容器的系統(tǒng)改進結(jié)果。

　　EMC兼容性標(biāo)準(zhǔn)方面的挑戰(zhàn)

　　由于在現(xiàn)代汽車中，電子子系統(tǒng)執(zhí)行的是關(guān)鍵功能，因此兼容性標(biāo)準(zhǔn)已變得越來越嚴(yán)格。許多整車制造商都強制規(guī)定，即便是非關(guān)鍵電子子系統(tǒng)都必須通過EMC抗擾測試并且不得產(chǎn)生任何故障，包括上文中的級別5故障。此外，汽車EMC測試所涉及的方面越來越多，子系統(tǒng)的各項功能都需要在各種噪聲頻率下接受完整的測試。非關(guān)鍵特性，如子系統(tǒng)的用戶響應(yīng)時間和低功耗模式等也需要接受完整的測試并且不得出現(xiàn)任何偏差，即便是用戶不通過EMC測試就無法發(fā)現(xiàn)的也不例外。

　　由于目前的EMC測試耗時數(shù)小時，因此需要自動化的EMC測試流程。例如，如果對電容傳感子系統(tǒng)進行一次完整的EMC測試，則僅僅是傳導(dǎo)抗擾測試就需要3小時以上，而整套EMC測試的耗時更是長達20小時以上。由于移動和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用程序往往位于被測系統(tǒng)的附近 (比如用戶攜帶手機或連接WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進入車內(nèi))，因此，EMC輻射抗擾和發(fā)射測試中的頻帶范圍已擴展到5GHz以外。

　　大部分 EMC都在電波消聲室內(nèi)進行，電波消聲室的墻壁使用的是能夠防止輻射發(fā)射反射的吸波材料。這是一種與汽車子系統(tǒng)實際所在環(huán)境完全不同的理想環(huán)境。因此，有些整車制造商還會使用金屬室或調(diào)諧回響室刻意制造朝被測系統(tǒng)的反射。這樣，他們就能研究這些反射對系統(tǒng)功能和抗擾性的影響。

　　眾所周知，汽車電子子系統(tǒng)的設(shè)計難度不斷增加，尤其是在兼容性方面。此外，控制成本和最大程度地減少不斷增加的輻射源使設(shè)計變得更加復(fù)雜。有時，終端用戶可能帶著不兼容或非汽車級別的設(shè)備進入車內(nèi)，從而影響系統(tǒng)的功能。這一點很難通過標(biāo)準(zhǔn)EMC測試發(fā)現(xiàn)。常見的例子是在車內(nèi)不兼容的手機收到來電時，車載娛樂系統(tǒng)會發(fā)出異響。

　　EMC基礎(chǔ)設(shè)施方面的挑戰(zhàn)

　　EMC測試中所使用的設(shè)備非常昂貴。通常，普通的汽車一級供應(yīng)商無法購買自行使用的設(shè)備，通常的做法是向經(jīng)過認(rèn)證的EMC實驗室租借場地與設(shè)備。但每小時的租賃成本也十分高昂。此外，如果未通過EMC測試，則設(shè)計工程師需要修改系統(tǒng) (硬件、固件等) 并且需要付出額外的成本在實驗室再次進行測試。由于EMC實驗室的數(shù)量有限并且等待實驗室“檔期”的一級供應(yīng)商數(shù)量眾多，因此從設(shè)計師申請到實際使用之間需要等到很長的時間，這進一步影響了整體上市時間。

　　減少外部實驗室使用成本并提高效率的一種方法，是公司在內(nèi)部設(shè)計場所使用預(yù)認(rèn)證設(shè)備調(diào)校系統(tǒng)。預(yù)認(rèn)證設(shè)備無法精確測量強度，但可以提供大致的噪聲頻譜供設(shè)計師對系統(tǒng)進行微調(diào)。

　　汽車電子子系統(tǒng)的產(chǎn)品兼容性與電磁兼容性已逐漸成為一項越來越大的挑戰(zhàn)。電子產(chǎn)品自設(shè)計階段開始就必須把重點放在兼容性上。由于內(nèi)部射頻專業(yè)知識與測試設(shè)備有限，因此難以進行測試。為此，僅僅使用符合標(biāo)準(zhǔn)的芯片不足以使公司確保能夠通過汽車子系統(tǒng)EMC測試。芯片制造商需要積極支持他們的芯片產(chǎn)品。雖然應(yīng)用說明可以描述實現(xiàn)EMC兼容性的最佳方法，但每部子系統(tǒng)都是獨一無二的。因此，您必須有經(jīng)驗豐富的應(yīng)用工程師幫助您審核硬件原理圖和PCB布局，并且調(diào)校固件參數(shù)。