Emc соображения в области дизайна автомобильных информационно-развлекательных систем

Электромагнитная совместимость (ЭМС) остается краеугольным камнем надежной автомобильной электроники, и нигде ее роль не является более сложной, чем в информационно-развлекательных системах. По мере того, как транспортные средства развиваются в подключенные концентраторы с высокоскоростными каналами передачи данных, несколькими беспроводными радиостанциями и дисплеями с высоким разрешением, потенциал электромагнитных помех (ЭМИ) для нарушения критических функций растет экспоненциально. Обеспечение того, чтобы информационно-развлекательные подсистемы работали без нарушения безопасности, связанной с электроникой, и остаются невосприимчивыми к внешним помехам, требует дисциплинированного, системного подхода с самых ранних этапов проектирования. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение принципов ЭМС, уникальных проблем, связанных с современной информационно-развлекательной, практических стратегий смягчения, требований к тестированию и будущих тенденций, которые будут формировать автомобильную инженерию ЭМС.

Основы электромагнитной совместимости в транспортных средствах

EMC - это способность электронной системы правильно функционировать в предполагаемой электромагнитной среде без введения неприемлемых помех для другого оборудования. В автомобильном контексте эта среда исключительно сурова: десятки электронных блоков управления (ECU), двигатели, исполнительные механизмы, линии электропередач высокого тока и беспроводные приемопередатчики - все имеют компактное металлическое шасси. EMC охватывает два широких требования:

Электромагнитная энергия соединяет цепи через четыре основных пути: проводные (через провода или рельсы питания), излучаемые (через пространство в виде электрических или магнитных полей), емкостные (электрическая связь ближнего поля) и индуктивные (магнитная связь ближнего поля). Эффективная конструкция EMC управляет всеми этими механизмами одновременно, часто через комбинацию заземления, экранирования, фильтрации и тщательной компоновки.

Соответствие требованиям к ЭМС в автомобильной промышленности регулируется международными стандартами, в частности CISPR 25 (ограничения и методы измерения радиопомех) и ISO 11452 (дорожные транспортные средства - методы испытаний компонентов для электрических помех от узкополосной излучаемой электромагнитной энергии). Эти стандарты определяют критерии отказа от передачи, которым должны соответствовать информационно-развлекательные системы, прежде чем производство транспортных средств может продолжаться.

Уникальные вызовы EMI в автомобильных информационно-развлекательных системах

Информационно-развлекательные системы представляют собой уникальное слияние EMI-генерирующих и EMI-чувствительных элементов. В отличие от простого контроллера двигателя или датчика, информационно-развлекательный блок содержит высокопроизводительную систему на кристалле (SoC), работающую на гигагерцовых тактовых частотах, различные интерфейсы памяти (DDR, eMMC, NAND), несколько драйверов дисплея, аудиоусилители, порты USB и несколько беспроводных приемопередатчиков (Bluetooth, Wi-Fi, GPS/GNSS, сотовая связь, DSRC/V2X). Каждая из этих подсистем может быть как источником, так и жертвой помех.

Высокоскоростные цифровые схемы

Процессорные ядра и шины памяти, работающие на частотах выше 1 ГГц, вырабатывают богатые гармоники, которые легко попадают в FM-радио, телевизор и лицензированные мобильные полосы. Без тщательного подавления эти гармоники излучаются следами ПХБ и соединительными кабелями, создавая проблемы с выбросами. Физическая компоновка SoC, его разъединяющие конденсаторы и маршрутизация дифференциальных пар имеют решающее значение.

Беспроводное сосуществование и десенсибилизация

Информационно-развлекательные системы часто интегрируют три или более радиоприемников в непосредственной физической близости. Если мощность передачи каждого радио разливает широкополосный шум в полосу приема другого, происходит десенсибилизация приемника - классический пример - помехи Wi-Fi (2,4-2,48 ГГц) с Bluetooth или определенными сотовыми полосами. Эта проблема усугубляется продуктами гармонического смешивания, генерируемыми основными часами ЦП, которые могут приземляться прямо внутри полосы GPS L1 (1,57542 ГГц). Необходимы активные методы смягчения, такие как адаптивный скачок частоты, мультиплексирование временных доменов и агрессивная фильтрация.

Дисплей и сенсорный шум

Большие дисплеи, особенно использующие технологию TFT или OLED, требуют высоковольтных драйверов и быстрых пиксельных тактовых сигналов. Сама панель может выступать в качестве излучающей структуры, а гибкие кабели, несущие видеоданные (например, LVDS, eDP, MIPI DPI), печально известны радиацией в обычном режиме. Кроме того, емкостный сенсорный слой, который должен быть чувствительным к касаниям пальцев, восприимчив к подбору шума от инвертора подсветки или от цифровых видеосигналов. Этот шум может вызывать ложные касания или входы призрака.

Аудио и усилители мощности

Аудиоусилители класса D, обычно используемые в информационно-развлекательной технике для повышения эффективности, генерируют высокочастотный шум переключения, который может проводить обратно в источник питания и излучать из проводов динамиков. Без надлежащей фильтрации и экранирования этот шум может подключаться к тюнеру AM / FM или мешать модемам телематики.

Пространство и тепловые ограничения

Информационно-развлекательные блоки обычно упакованы в ограниченный форм-фактор головки-единицы, часто за приборной панелью. Эти компоненты ограниченных космических сил плотно упакованы, увеличивая перекрестие между следами и ограничивая пространство для экранирования банок или ферритовых бусин. Кроме того, небольшое вложение препятствует потоку воздуха, что может ухудшить производительность ферритовых материалов и конденсаторов, если температуры превышают номинальные значения.

Стратегии проектирования для соответствия требованиям EMC

Надежный дизайн EMC начинается с макета печатной платы (PCB) и расширяется за счет интеграции на системном уровне. Доказано, что следующие стратегии снижают EMI и повышают иммунитет в автомобильных информационно-развлекательных системах.

PCB Layout и Stack-Up

Складка слоя должна обеспечивать непрерывные плоскости отсчета для высокоскоростных сигналов. Используйте по меньшей мере четыре слоя: верхний (сигнал), наземная плоскость (твердая, бесперебойная), плоскость питания (расщепленная по мере необходимости) и нижний (сигнал). Для плат очень высокой плотности шесть или восемь слоев являются общими, с выделенными наземными плоскостями, прилегающими к каждому слою сигнала, для управления импедансом и уменьшения площади петли. Ключевые правила компоновки включают:

Целостность и целостность власти

Заземление является единственным наиболее важным элементом управления ЭМС. Используйте схему звездного или сетчатого грунта, привязанную к шасси в одном месте. На ПХБ создайте грунт с низким сопротивлением, используя несколько прокладок, чтобы привязать компоненты к плоскости. Для целостности питания поместите разъединяющие конденсаторы с очень короткими длинами следов на каждом штифте питания. Используйте смесь объемных (10-100 мкФ), среднечастотных (0,1-1 мкФ) и высокочастотных (10-100 пФ) конденсаторов для покрытия широкого диапазона частот. Ферритовые бусины на силовых рельсах, входящих в чувствительные к шуму секции (например, тюнер, GPS-приемник) могут подавлять проводимые выбросы.

Техника щита

Шильдирующие корпуса (каны) широко используются для содержания излучения от SoC, памяти и беспроводных модулей. Щит должен создавать непрерывную электрическую связь с наземной плоскостью через несколько точек припоя или прокладку. Для частот выше 1 ГГц могут протекать швы и слоты длиннее, чем λ/20; поэтому используйте щитовые банки со многими периметровыми прокладками, расположенными не более чем на 3 мм друг от друга. Рассмотрите возможность экранирования всей информационно-развлекательной основной платы с отдельными отсеками для особенно шумных или чувствительных цепей.

Кабельное экранирование одинаково важно. Незащищенные витые пары (UTP) кабели для USB или Ethernet могут излучать; используйте экранированную витую пару (STP) и убедитесь, что экран завершен до основания шасси на обоих концах с соединением с низкой индуктивностью. Провода динамика должны быть маршрутизированы от антенных каналов.

Фильтрация и ферритовые компоненты

Проводимые выбросы на линиях ввода-вывода и силовых кабелей подавляются с помощью удушающих элементов общего режима (CMC) и ферритовых шариков. Для автомобильных применений выбирают ферритовые материалы с высоким импедансом в соответствующих частотных диапазонах (часто 30 МГц-1 ГГц). Пи-фильтры (конденсатор-феррит-конденсатор) эффективны на входах мощности. Для пар дифференциальных сигналов (USB, Ethernet, LVDS) используют удушающие устройства общего режима, которые обеспечивают высокое импедансное сопротивление общего режима без ухудшения качества дифференциального сигнала.

На входе мощности в информационно-развлекательный блок многоступенчатый фильтр, использующий комбинацию ферритов серии и шунтирующих конденсаторов для заземления шасси, может предотвратить попадание проводимого шума в шину 12-V транспортного средства. Аналогично, каждый выход преобразователя DC-DC должен иметь постфильтр LC-типа (L = 1-10 мкН, C = 10-100 мкФ), чтобы уменьшить пульсацию переключения.

Выбор компонентов и разделение макета

Выберите компоненты с заявленной производительностью EMC, такие как генераторы с расширенным спектром, которые уменьшают пиковые выбросы за счет распределения энергии часов в небольшом частотном диапазоне. Избегайте использования максимальной возможной тактовой частоты; выберите наименьшую, которая отвечает потребностям в производительности. При выборе операционных усилителей или компараторов выберите те, которые имеют контролируемую скорость стреловидности, чтобы минимизировать высокочастотные гармоники.

Разделить план пола печатной платы так, чтобы: (1) высокоскоростные цифровые секции физически отделялись от аналоговых и радиочастотных секций по меньшей мере на 5 мм, предпочтительно с заземленным медным рвом; (2) антенные разъемы размещались вблизи края и как можно дальше от тактовых генераторов; (3) выходы усилителя класса D с противоположной стороны платы от тюнера и модулей GPS.

Программное обеспечение EMI Mitigation

Прошивка может играть активную роль в снижении EMI. Часы с расширенным спектром часто настраиваются; позволяя ему уменьшать пиковые излучаемые выбросы на 6-10 дБ. Мультиплексирование домена времени беспроводных приемопередатчиков (например, передача Bluetooth только в непериоды Wi-Fi) уменьшает помехи в полосе. Дропот часов ЦПУ при легкой нагрузке уменьшает электромагнитный шум. Кроме того, тщательное планирование транзакций SPI / I2C и избегание активности шины назад к спине может снизить общие выбросы.

Стандарты испытаний EMC и сертификация

Автомобили информационно-развлекательных систем должны пройти ряд испытаний, чтобы продемонстрировать соответствие отраслевым стандартам. Два основных стандарта - CISPR 25 (проводимые и излучаемые выбросы) и ISO 11452 (излучаемый иммунитет). Дополнительные стандарты охватывают электростатический разряд (ISO 10605), проводимый иммунитет (ISO 11452-4/-5/-7) и переходное перенапряжение (ISO 7637).

Тестирование проводится как на уровне компонентов (до интеграции транспортного средства), так и на уровне транспортного средства. Для информационно-развлекательной системы критерий «без неисправностей» обычно означает, что звук остается понятным, дисплей не мерцает или не проходит, сенсорный вход реагирует правильно, а беспроводные линии связи остаются установленными. Любой сбой требует итеративного перепроектирования и повторного тестирования, усиливая необходимость проверки предварительного соответствия во время разработки.

Продвинутое моделирование и предварительное тестирование

Чтобы избежать дорогостоящих и трудоемких сбоев на поздних стадиях, команды все чаще полагаются на инструменты электромагнитного моделирования для анализа EMC на ранних стадиях. 3D полноволновые решатели могут прогнозировать излучаемые выбросы от структур печатных плат, кабельных сборок и корпусов. Ко-симуляция чип-пакета позволяет дизайнерам оценивать влияние шума переключения на чипе до того, как будет построен первый прототип. Тестирование на соответствие - с использованием анализатора спектра, зондов ближнего поля и простой ячейки TEM или небольшой безэховой камеры - обеспечивает быструю обратную связь о выбросах и помогает проверять модели моделирования.

Многие автомобильные OEM-производители теперь требуют отчетов о моделировании EMC в рамках процесса разработки. Для информационно-развлекательных систем типичные рабочие процессы моделирования включают:

Используя эти инструменты, инженеры могут сократить количество физических прототипов и ускорить выход на рынок, сохраняя при этом соответствие требованиям EMC первого прохода.

Будущие тенденции: EMC в автомобилях следующего поколения

Информационно-развлекательная система завтрашнего дня столкнется с еще более требовательными требованиями EMC. Поскольку транспортные средства принимают интерфейсы с более высокой скоростью передачи данных, такие как 10 Base-T1 Ethernet (10 Мбит / с) и 1000 Base-T1 (1 Гбит / с), дифференциальная сигнализация на более высоких частотах потребует тщательного управления импедансом и фильтрации в обычном режиме для предотвращения излучения. Интеграция автомобильного Ethernet с HDMI® и USB 3.2 (5 Гбит / с) в салоне усиливает проблему.

Кроме того, стремление к автономному вождению требует, чтобы информационно-развлекательные системы сосуществовали с плотным массивом радиолокационных, лидарных и камерных модулей, работающих на миллиметровых частотах (24 ГГц, 77 ГГц и далее).Те же головные устройства, которые транслируют видео, могут также нуждаться в размещении модулей связи V2X, работающих на частоте 5,9 ГГц. Управление отторжением соседней полосы и обеспечение того, чтобы информационно-развлекательная платформа не снижала чувствительность критически важных для безопасности датчиков, потребует инновационной фильтрации и размещения антенн.

Беспроводные блоки передачи мощности (WPT) для мобильных устройств являются еще одним новым источником EMI, генерирующим сильные магнитные поля на частотах от 85 кГц до нескольких МГц. Информационно-развлекательные блоки, расположенные вблизи беспроводных зарядных устройств, должны быть спроектированы с дополнительным экранированием и фильтрацией, чтобы избежать помех сенсорному контроллеру или времени отображения.

Наконец, переход на программно-определяемые транспортные средства означает, что информационно-развлекательное оборудование должно поддерживать обновления по воздуху (OTA), которые могут изменять тактовые частоты или параметры радиопрограммного обеспечения.

Заключение

Электромагнитная совместимость не является запоздалой мыслью в автомобильном информационно-развлекательном дизайне - это фундаментальная инженерная дисциплина, которая влияет на каждый уровень, от выбора компонентов до проектирования корпуса и конфигурации программного обеспечения. Понимая уникальные источники шума и пути соединения в современных информационно-развлекательных системах и применяя систематическое сочетание компоновки, заземления, экранирования, фильтрации и моделирования, инженеры могут достичь соответствия стандартам, таким как CISPR 25 и ISO 11452. Поскольку транспортные средства становятся еще более связанными и автоматизированными, инженерия EMC будет только расти в важности, требуя непрерывных инноваций в материалах, архитектурах и инструментах анализа. Упреждающая философия дизайна для EMC остается самым надежным путем к надежному, без помех информационно-развлекательному опыту.