產(chǎn)品的電子系統(tǒng)兼容性需要接受電磁兼容性 (EMC) 測(cè)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(cè)試。汽車電子系統(tǒng)有專門的EMC測(cè)試，這是因?yàn)殡娮幼酉到y(tǒng)需要在其他產(chǎn)生噪聲的電氣設(shè)備附近正常運(yùn)行。汽車環(huán)境中的振動(dòng)和溫度范圍也需要進(jìn)行由AEC-Q100等獨(dú)立芯片級(jí)別認(rèn)證流程定義的附加認(rèn)證。

　　EMC是電子系統(tǒng)在不對(duì)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(yùn)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(cè)試。每項(xiàng)測(cè)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(cè)子系統(tǒng)的外部來源) 能力。因此，共有以下四種不同的EMC測(cè)試，并且每種測(cè)試對(duì)應(yīng)不同的EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：

　　1. 傳導(dǎo)抗擾測(cè)試 (ISO11452-4)

　　2. 輻射抗擾測(cè)試 (ISO 11452-2)

　　3. 傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試 (CISPR25)

　　4. 輻射發(fā)射測(cè)試 (CISPR25)

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

　　下面，我們將以電容傳感應(yīng)用為例，更詳細(xì)地探討EMC測(cè)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(cè)試。我們還將介紹設(shè)計(jì)兼容汽車環(huán)境的電子系統(tǒng)時(shí)的一些系統(tǒng)層面的內(nèi)容以及業(yè)內(nèi)進(jìn)行EMC測(cè)試時(shí)所遇到的挑戰(zhàn)。

　　故障級(jí)別一覽

　　EMC測(cè)試是為了評(píng)估被測(cè)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(yùn)行。汽車環(huán)境中的一些EMC故障癥狀如下：

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

　　2. 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 (ECU) 或制動(dòng)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(dòng)機(jī)或起動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的聲音

　　4. 汽車跳線跨接啟動(dòng)過程中對(duì)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(cuò)誤和意外重啟

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

　　表 1. 故障分級(jí)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(dòng)控制、安全氣囊控制、動(dòng)力傳動(dòng)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(jí)別5的故障也不例外。多媒體、車載娛樂系統(tǒng)、電動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的整體影響，部分級(jí)別4和級(jí)別5的故障通?？梢越邮?。接受程度由制造商根據(jù)故障對(duì)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(yùn)行。AEC-Q100等設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)由汽車電子委員會(huì)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(cè)試的部分集成電路主要參數(shù)：

　　1. 零件工作溫度試驗(yàn) (一般情況下最高125℃)

　　2. 加速壽命試驗(yàn)

　　3. 壓力試驗(yàn)

　　4. 焊線和焊錫球抗剪試驗(yàn)

　　5. 人體模型 (HBM) ESD試驗(yàn)和 閂鎖試驗(yàn)

　　6. 非易失性存儲(chǔ)器耐久試驗(yàn)

　　7. 短路可靠性鑒定

　　由于汽車系統(tǒng)對(duì)電子部件的可靠性有嚴(yán)格的要求，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)為產(chǎn)品提供詳細(xì)的文件與應(yīng)用支持，以便通過汽車EMC測(cè)試。

　　系統(tǒng)層面的EMC測(cè)試方法

　　EMC實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚨繙y(cè)試被測(cè)系統(tǒng)是否適合用于汽車。該系統(tǒng)還必須在運(yùn)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(cè)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(yùn)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(qiáng)度。

　　為了定量測(cè)試被測(cè)系統(tǒng)的傳導(dǎo)抗擾性，需按照頻譜強(qiáng)度將線束上的噪聲電壓頻譜繪制成圖表。在輻射抗擾測(cè)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(huì)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(cè)試

　　汽車環(huán)境的傳導(dǎo)抗擾測(cè)試在所有EMC測(cè)試中最為嚴(yán)格，因此，要通過抗擾測(cè)試的難度最大。在傳導(dǎo)抗擾測(cè)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(yùn)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(cè)試中，射頻噪聲發(fā)生器通過射頻耦合鉗將噪聲注入被測(cè)系統(tǒng)的電源線束中。噪聲的頻率范圍是1MHz 至 400 MHz，強(qiáng)度是射頻耦合鉗中的200mA回路電流 。見圖2。

　　圖 2 – ISO11452-4實(shí)驗(yàn)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(jī)械按鈕?？筛鶕?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(cuò)誤的觸摸，即在人未觸摸輸入傳感器時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)檢測(cè)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(cè)到觸摸的狀態(tài)

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

　　為了通過傳導(dǎo)抗擾測(cè)試，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須小心謹(jǐn)慎，包括電壓調(diào)節(jié)器電路的設(shè)計(jì)以及瞬變電壓抑制 (TVS) 二極管等電路保護(hù)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(jì)對(duì)于產(chǎn)品的合規(guī)性至關(guān)重要。圖3顯示的是ISO11452-4 測(cè)試中電源導(dǎo)軌的輸出電壓紋波，藍(lán)色表示非汽車電源電路Rev1電路板，紅色表示精心設(shè)計(jì)的汽車電源 Rev2電路板。

　　圖3 - 不同電源電路傳導(dǎo)抗擾測(cè)試過程中的電壓紋波

　　根據(jù)傳導(dǎo)抗擾測(cè)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(jì)良好，100MHz區(qū)域的紋波會(huì)大幅減弱。此次測(cè)試的對(duì)象是為汽車暖通空調(diào)用戶界面控制單元設(shè)計(jì)的賽普拉斯PSoC4電容傳感系統(tǒng)。

　　另一項(xiàng)抗擾測(cè)試 —— ISO7637-2 瞬變抗擾測(cè)試是汽車系統(tǒng)特有的測(cè)試，該測(cè)試模擬在跳線跨接啟動(dòng)、負(fù)載突降、點(diǎn)火啟動(dòng)、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(hù)設(shè)備有助于減少瞬變對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響。

　　輻射發(fā)射測(cè)試

　　在汽車環(huán)境中，輻射發(fā)射測(cè)試對(duì)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(lán)牙與鑰匙系統(tǒng)在內(nèi)的射頻收發(fā)器等。輻射發(fā)射測(cè)試使用射頻天線測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射頻譜。使用頻譜分析器測(cè)量頻譜強(qiáng)度 (FFT振幅)。圖4是電波消聲室內(nèi)測(cè)量輻射發(fā)射的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置。

　　圖4 – 實(shí)驗(yàn)室輻射發(fā)射設(shè)置

　　測(cè)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(dá)到5GHz。在大部分情況下，只使用一根射頻天線無法測(cè)量較大范圍頻率下的發(fā)射，因此在測(cè)量多個(gè)頻帶時(shí)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(gè)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(cè)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(hào)的上升時(shí)間。另一項(xiàng)方法是使用擴(kuò)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(shí)，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(dá)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(shí)提供這兩種技術(shù)。

　　輻射抗擾測(cè)試

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

　　傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試

　　在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)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(diǎn)設(shè)計(jì)帶有合適旁路電容器的系統(tǒng)改進(jìn)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(qiáng)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(cè)試并且不得產(chǎn)生任何故障，包括上文中的級(jí)別5故障。此外，汽車EMC測(cè)試所涉及的方面越來越多，子系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都需要在各種噪聲頻率下接受完整的測(cè)試。非關(guān)鍵特性，如子系統(tǒng)的用戶響應(yīng)時(shí)間和低功耗模式等也需要接受完整的測(cè)試并且不得出現(xiàn)任何偏差，即便是用戶不通過EMC測(cè)試就無法發(fā)現(xiàn)的也不例外。

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

　　大部分 EMC都在電波消聲室內(nèi)進(jìn)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(shí)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(huì)使用金屬室或調(diào)諧回響室刻意制造朝被測(cè)系統(tǒng)的反射。這樣，他們就能研究這些反射對(duì)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(jì)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(jì)變得更加復(fù)雜。有時(shí)，終端用戶可能帶著不兼容或非汽車級(jí)別的設(shè)備進(jìn)入車內(nèi)，從而影響系統(tǒng)的功能。這一點(diǎn)很難通過標(biāo)準(zhǔn)EMC測(cè)試發(fā)現(xiàn)。常見的例子是在車內(nèi)不兼容的手機(jī)收到來電時(shí)，車載娛樂系統(tǒng)會(huì)發(fā)出異響。

　　EMC基礎(chǔ)設(shè)施方面的挑戰(zhàn)

　　EMC測(cè)試中所使用的設(shè)備非常昂貴。通常，普通的汽車一級(jí)供應(yīng)商無法購(gòu)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(shí)驗(yàn)室租借場(chǎng)地與設(shè)備。但每小時(shí)的租賃成本也十分高昂。此外，如果未通過EMC測(cè)試，則設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室再次進(jìn)行測(cè)試。由于EMC實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量有限并且等待實(shí)驗(yàn)室“檔期”的一級(jí)供應(yīng)商數(shù)量眾多，因此從設(shè)計(jì)師申請(qǐng)到實(shí)際使用之間需要等到很長(zhǎng)的時(shí)間，這進(jìn)一步影響了整體上市時(shí)間。

　　減少外部實(shí)驗(yàn)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(jì)場(chǎng)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(cè)量強(qiáng)度，但可以提供大致的噪聲頻譜供設(shè)計(jì)師對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(xiàng)越來越大的挑戰(zhàn)。電子產(chǎn)品自設(shè)計(jì)階段開始就必須把重點(diǎn)放在兼容性上。由于內(nèi)部射頻專業(yè)知識(shí)與測(cè)試設(shè)備有限，因此難以進(jìn)行測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)EMC兼容性的最佳方法，但每部子系統(tǒng)都是獨(dú)一無二的。因此，您必須有經(jīng)驗(yàn)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)。