- 解決汽車(chē)電子車(chē)載設備EMC問(wèn)題的思考方法和設計流程
- 進(jìn)行設計需要從發(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(chē)廠(chǎng)商所要求的指標的同時(shí)，使終端用戶(hù)感到滿(mǎn)意
- 對于設計技術(shù)人員而言，重要的是將EMC設計視為產(chǎn)品的基本功能之一
汽車(chē)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)現高端功能的時(shí)代。與此同時(shí)，在設計階段便考慮電磁環(huán)境的做法也愈發(fā)重要。汽車(chē)整體和開(kāi)發(fā)的全部工序都需要在充分意識到EMC（Electro-magnetic Compatibility）的體系中實(shí)施。也就是說(shuō)，“EMC設計框架”已經(jīng)是不可或缺的機制。
這一機制包括了設計技術(shù)、EMC對策、系統開(kāi)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(xiàn)的實(shí)際情況對這些進(jìn)行恰當的整理，那么就可以靈活應對人們對于汽車(chē)的需求變化。
在這里，筆者將以汽車(chē)導航系統（車(chē)載導航儀）設計一線(xiàn)的經(jīng)驗為依據，從汽車(chē)部件廠(chǎng)商的角度出發(fā)，介紹對車(chē)載設備EMC的思考方法、以及設計流程的一部分。
電磁輻射強度隨著(zhù)車(chē)載導航儀的高性能而增大
首先介紹車(chē)載導航儀的多功能化和高速化。眾所周知，車(chē)載導航儀的出發(fā)點(diǎn)是導航，然后才是通過(guò)DSRC（Dedicated Short Range Communications ）、電視、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )等通信手段與車(chē)外相連接?，F在，車(chē)載導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(lèi)供應商進(jìn)行多種內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(chē)載導航儀正在向聯(lián)結人與機械（這里指汽車(chē)）的HMI（Human Machine Interface）中心轉變（圖1）。
圖1：汽車(chē)多媒體全球導航儀從“指路”裝置轉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(chē)載導航儀的多媒體化還將繼續發(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，當車(chē)載導航儀能夠與車(chē)輛內各個(gè)儀器聯(lián)動(dòng)，協(xié)助防止沖撞時(shí)，車(chē)載導航儀本身作為傳感器，就需要較高的可靠性。這時(shí)，抗擾度（對于電磁噪聲的耐受性）就會(huì )成為課題。而且，隨著(zhù)車(chē)內外網(wǎng)絡(luò )的拓展，防止與外部?jì)x器之間相互干擾的EMC技術(shù)也愈發(fā)重要。在聲音識別和停車(chē)輔助等車(chē)載導航儀本身的多功能化，以及音視頻娛樂(lè )功能的一體化進(jìn)程中，考慮電磁噪聲的發(fā)射問(wèn)題是不可回避的課題。
圖2：車(chē)載導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。
來(lái)自CPU和內存的輻射增大
在這里，讓我們來(lái)回顧一下車(chē)載導航儀的發(fā)展歷史。1987年作為電子地圖顯示裝置問(wèn)世的車(chē)載導航儀，首先于1990年實(shí)現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)現了語(yǔ)音化。接著(zhù)，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)現上述進(jìn)步，車(chē)載導航儀的性能得到了穩步提高。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)現了1/6以下的高精度化（圖3）。
圖3：性能的變化圖在從導航儀向語(yǔ)音導航儀、多媒體型導航儀轉變的過(guò)程中實(shí)現了大幅度的高速化·高精度化。
其原動(dòng)力毋庸置疑是CPU的進(jìn)步（即計算機系統的大規?；蜁r(shí)鐘的高速化）。車(chē)載導航儀的CPU時(shí)鐘和內存總線(xiàn)時(shí)鐘頻率近來(lái)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(lài)在一個(gè)LSI內配置多個(gè)CPU的多CPU化進(jìn)程。而另一方面，DRAM的內存總線(xiàn)還在以不增加位寬的前提下提高性能，因此，時(shí)鐘頻率的上升勢不可擋。
圖4：車(chē)載導航儀用CPU/DRAM的高速化趨勢輻射能的預測趨于重要。
芯片面積和時(shí)鐘頻率的增加容易導致輻射電磁噪聲增大。因此，對這些輻射源的輻射進(jìn)行預測管理會(huì )逐漸成為重要環(huán)節。對于車(chē)載導航儀的核心（Navi-Core），如圖5（a）所示，CPU和總線(xiàn)是主要輻射源。由經(jīng)驗可知，直接來(lái)自于CPU的輻射能指標Pc與工作電壓的平方、工作頻率、芯片面積分別成正比，這些數值的積被作為“輻射能指標”應用到了預測管理（圖5（b）注1）之中。內存總線(xiàn)的輻射能指標Pm也同樣與工作電壓的平方、工作頻率、內存總線(xiàn)位寬的積成正比。[page]
注1）來(lái)自CPU的電磁噪聲主要有以下兩個(gè)發(fā)生源：（1）來(lái)自時(shí)鐘線(xiàn)和信號線(xiàn)的輻射，（2）驅動(dòng)電路直通電流的輻射。筆者認為（2）占主要地位。驅動(dòng)電路一般由兩個(gè)晶體管的圖騰柱結構組成，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(guò)流進(jìn)入無(wú)限接近于0的阻抗時(shí)產(chǎn)生的，遠遠大于（1）中充放電電流流經(jīng)時(shí)鐘線(xiàn)和信號線(xiàn)布線(xiàn)時(shí)的輻射。因此可以認為，輻射同樣為（2）較大。
圖5：車(chē)載導航儀的CPU/內存總線(xiàn)輻射能
把這些輻射能指標的變化繪制成圖表可以得到類(lèi)似于圖5（c）的增長(cháng)曲線(xiàn)。該指標為20以下時(shí)無(wú)需特殊對策，70以下時(shí)需要從設計階段開(kāi)始實(shí)施對策，如果超過(guò)70，憑借現有的知識則很難找出對策。因此，2010年之后的對策技術(shù)開(kāi)發(fā)將更加重要。
如上所述，隨著(zhù)電子電路輻射能的增大，從設計階段開(kāi)始研究EMC已經(jīng)成為了不可或缺的步驟。
車(chē)輛的電磁環(huán)境整理為3級
圖6給出的樹(shù)形圖對于理解EMC的整體結構很有幫助，本公司的內部培訓也經(jīng)常使用。這是按照發(fā)射/抗擾度、傳導/輻射的組合，把EMC分成四個(gè)大類(lèi)進(jìn)行整理的方法。其中，在設計階段的EMC研究和測量精度方面，尤其需要注意的是電場(chǎng)的輻射。
圖6：EMC的分類(lèi)樹(shù)在設計階段研究EMC時(shí)需要特別注意電場(chǎng)輻射噪聲。(點(diǎn)擊圖片放大)
EMC有國際標準，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）等都被制定成了標準。此外，各國和地區也通過(guò)法律對發(fā)射和抗擾度進(jìn)行了規制。
而且，汽車(chē)廠(chǎng)商為了使汽車(chē)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格的標準。各汽車(chē)廠(chǎng)商制定的發(fā)射標準與CISPR25（用于保護車(chē)載接收器的干擾波限值及測量法）相比，有時(shí)GPS頻帶和通信頻帶的發(fā)射限值規定會(huì )偏低，對于部件廠(chǎng)商而言要求非常嚴格。
輻射抗擾度的標準同樣如此，某些汽車(chē)廠(chǎng)商甚至提出了在雷達頻帶下抗擾度為600V/m的苛刻要求。與ISO11452（車(chē)載儀器的抗擾度試驗標準）在特定頻率下的期望值為200V/m相比，需要耐受3倍的數值，所以汽車(chē)廠(chǎng)商要求的指標更為苛刻。
如上所述，進(jìn)行設計需要從發(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(chē)廠(chǎng)商所要求的指標的同時(shí)，使終端用戶(hù)感到滿(mǎn)意。對于設計技術(shù)人員而言，重要的是將EMC設計視為產(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(chē)內外不斷拓展。車(chē)外有借助手機等的廣域通信網(wǎng)、借助無(wú)線(xiàn)LAN的狹域無(wú)線(xiàn)系統。車(chē)內則遍布信息系統、車(chē)體系統、傳動(dòng)系統等多種有線(xiàn)LAN。所涉及的EMC模式按照圖7整理為3級后更加容易理解。如圖，1級是與發(fā)射塔·無(wú)線(xiàn)基站·雷達等車(chē)輛外部相關(guān)的EMC，2級是與車(chē)載導航儀和車(chē)載儀器間的干涉相關(guān)的EMC，3級是與車(chē)載導航儀的儀器內干涉相關(guān)的EMC。（特約撰稿人：）
圖7：EMC的3級分類(lèi)
