Роль щита в достижении электромагнитной совместимости в автомобильных системах

Электромагнитная совместимость (ЭМС) является основополагающим требованием в современном автомобильном дизайне, гарантируя, что электронные системы работают так, как задумано, не создавая или не становясь жертвой электромагнитных помех (ЭМИ). По мере того, как транспортные средства развиваются в подключенные, электрифицированные платформы, упакованные датчиками, контроллерами и беспроводными радиостанциями, проблема управления ЭМИ становится более острой. Щитирование является одной из наиболее эффективных и широко используемых стратегий для достижения ЭМС, обеспечивая физический барьер, который блокирует или ослабляет нежелательные электромагнитные поля. В этой статье рассматривается роль экранирования в автомобильной ЭМС, охватывающих типы, материалы, практические преимущества, проблемы проектирования и развивающиеся требования передовых архитектур транспортных средств.

Что щитится в автомобильных системах?

Щит в автомобильной электронике относится к использованию проводящих или магнитных ограждений, экранов или покрытий для ограничения электромагнитной энергии. Физика за экранированием основана на принципе клетки Фарадея: проводящий ограждение перераспределяет электрические заряды так, что внутреннее поле отменяет внешние колебания поля. Для магнитных полей на низких частотах высокопроницаемые материалы перенаправляют магнитный поток от чувствительных цепей. На высоких частотах эффект кожи вызывает наводимые токи, протекающие на поверхности щита, отражающие и поглощающие падающие волны.

В транспортном средстве экранирование может применяться на нескольких уровнях: к целому электронному блоку управления (ECU), к конкретному кабельному упряжку или даже к отдельным интегральным схемам внутри модуля.Цель всегда одна: уменьшить сцепление электромагнитных полей, чтобы выбросы одной системы не нарушали другую, и поддерживать иммунитет к внешним полям.Правильное экранирование особенно важно для функций, связанных с безопасностью, таких как торможение, рулевое управление и развертывание подушек безопасности, где помехи могут привести к катастрофическим последствиям.

Физика защитной эффективности

Эффективность щита (SE) измеряется в децибелах (dB) и представляет собой отношение напряженности поля без щита к силе поля с щитом. Более высокое число SE означает лучшее затухание. Производительность щита зависит от трех механизмов: потери поглощения, потери отражения и коррекции множественного отражения. Потери поглощения увеличиваются с толщиной материала, проводимостью и магнитной проницаемостью. Потери отражения наибольшие на материальных интерфейсах, где существует большое несоответствие импеданса, например, между воздухом и поверхностью металла. На очень низких частотах магнитные поля труднее экранировать, потому что поглощение низкое и отражение от высокопроводимых металлов менее эффективно; в таких случаях могут потребоваться сплавы с высокой проницаемостью или активное аннулирование.

В автомобильных условиях экранирование также должно бороться с излучаемыми выбросами в диапазоне частот от десятков килогерц (например, моторные инверторы) до нескольких гигагерц (например, радиолокационные и V2X связи). Щит, который отлично работает на частоте 1 МГц, может быть неэффективным на частоте 6 ГГц из-за утечки слота или шва. Это делает механическую конструкцию швов, соединений и прокладок столь же важной, как и выбор материала.

Типы щита, используемые в автомобильных системах

Автомобилисты используют различные экранирующие архитектуры в зависимости от применения, ограничений по стоимости и частотного диапазона.Три наиболее распространенных типа — клетки Фарадея, экранированные кабели и проводящие покрытия.

Клетки Фарадея

Клетка Фарадея представляет собой непрерывный проводящий корпус, окружающий электронный сборочный блок. В автомобильных ЭБУ сам металлический корпус служит клеткой Фарадея, часто изготовленной из штампованного алюминия или стали. Корпус должен быть электрически соединен с грунтом шасси транспортного средства, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением для индуцированных токов. Любые промежутки - такие как вокруг разъемов, вентиляционных отверстий или панелей доступа - должны быть запечатаны с использованием проводящих прокладок, пружинных пальцев или экранирующих лент EMI. Конструкции для блоков управления двигателем, контроллеров передачи и систем управления батареями обычно используют алюминиевые корпуса с проводящими прокладками эластомера.

Для более крупных корпусов, таких как высоковольтные аккумуляторные батареи или блоки распределения мощности, клетка Фарадея может включать металлическую сетку или перфорированные панели, чтобы обеспечить воздушный поток при сохранении экранирования. Частота отсечения сетчатого экрана должна быть выше самой высокой интересующей частоты, чтобы избежать распространения волны через отверстия.

Щитовые кабели

Кабельное экранирование имеет решающее значение, поскольку провода действуют как антенны, как излучающие, так и принимающие EMI. Щитовые кабели используют проводящий слой - медь, алюминиевую фольгу или комбинацию - вокруг изолированных проводников сигнала. Щит завершается на обоих концах (или иногда на одном конце) для заземления через разъемы или дренажные провода. Для высокоскоростных последовательных каналов передачи данных, таких как CAN FD, FlexRay или Automotive Ethernet (100BASE-T1, 1000BASE-T1), распространены витые парные кабели с экранированием фольги (S / FTP). Коаксиальные кабели для антенных каналов или видеосигналов используют один проводник с внешним плетеным экраном.

Правильное окончание щита жизненно важно: плохо заземленный щит может фактически ухудшить EMI, создавая резонансную структуру.В автомобильных ремнях щит обычно заземляется на конце модуля с помощью контакта на 360 градусов на разъеме, а не через свинцовый провод, который создавал бы индуктивность и снижал бы эффективность на высокой частоте.

Проводящие покрытия и краски

Когда вес или стоимость запрещают металлические корпуса, пластиковые корпуса могут быть сделаны проводящими с использованием покрытий. Наиболее распространенными подходами являются безэлектронная медная / никельная обшивка, проводящие краски, нагруженные частицами серебра или меди, и вакуум-металлизированные пленки. Эти покрытия обеспечивают умеренную эффективность экранирования (обычно 20–60 дБ при частоте до 1 ГГц), сохраняя при этом корпус легким и коррозионно-стойким. Они широко используются в информационно-развлекательных модулях, дверных контроллерах и корпусах датчиков, которые не являются частью систем, имеющих критическое значение для безопасности.

Еще одним новым методом является использование проводящих полимеров или композитов, формованных непосредственно в пластиковую структуру. Углерод-волокно-укрепленные пластмассы могут обеспечивать как структурную прочность, так и ослабление ЭМИ, хотя их анизотропная проводимость должна быть тщательно спроектирована.

Материалы для щита

Выбор защитного материала зависит от требуемого SE, диапазона частот, условий окружающей среды, стоимости и веса. В таблице ниже приведены наиболее распространенные автомобильные защитные материалы.

В дополнение к сыпучим материалам инженеры должны учитывать влияние клеевого слоя в пленочных лентах, сжимаемость прокладок и толщину покрытия в разъемных скорлупах. Факторы окружающей среды, такие как цикличность температуры (-40 ° C до + 150 ° C в моторных отсеках), влажность, солевой спрей и вибрация, влияют на выбор материала.

Преимущества щита в автомобильной EMC

Внедрение эффективной защиты дает множество преимуществ, выходящих за рамки соблюдения нормативных требований. Эти преимущества все чаще признаются в качестве целей проектирования, а не последующих мыслей.

Проблемы и соображения дизайна

Несмотря на свои преимущества, экранирование не является панацеей. Инженеры должны решать несколько практических задач при включении экранирования в автомобильные конструкции.

Стоимость vs. Выгоды от реализации

Высокопроизводительные защитные материалы, такие как му-металлические или серебристые покрытия, дороги. Даже штампованные алюминиевые корпуса добавляют 10-30% к стоимости модуля по сравнению с пластиком. Задача состоит в том, чтобы достичь требуемого SE с самым дешевым решением - часто с использованием гибридных подходов: пластиковый корпус с селективным проводящим покрытием для низкочастотных магнитных полей, дополненный медно-фольготным отсеком для секции РФ.

Вес и термоуправление

В электромобилях каждый килограмм дополнительного веса напрямую сокращает дальность.Щит для высоковольтного инвертора может добавить 1-2 кг, если он изготовлен из стали. Инженеры могут заменить сталь алюминиевыми или проектными вентилируемыми щитками, которые также действуют как теплоотводы. Однако вентиляционные отверстия должны быть размером ниже частоты среза слота; несколько небольших отверстий лучше, чем одно большое. Термическое управление еще более сложно, потому что проводящие прокладки часто имеют плохую теплопроводность, требующую отдельных тепловых прокладок.

Сборка и обоснование целостности

Щит так же хорош, как и его соединение с землей. В массовом производстве автомобилей поддержание наземных путей низкого давления на сотнях единиц требует надежных механических конструкций. Проводящие прокладки должны быть сжаты до точного процента их первоначальной толщины для достижения адекватного электрического контакта. Пальцы пружины могут изнашиваться после многократной установки модуля. Складки допуска сборки могут создавать промежутки, которые протекают EMI на высоких частотах. Инженеры поэтому определяют цели эффективности экранирования с запасом прочности и выполняют испытания образцов на производственных линиях.

Экологическая устойчивость

Автомобильные подлески и внешние среды суровы: экстремальные температуры, соленая вода, моторное масло, пары топлива и дорожный мусор - все материалы для защиты от атак. Медные косы могут разъедать, если не покрываться. Алюминиевые корпуса могут страдать от гальванической коррозии на границе со стальными болтами. Проводящие эластомеры могут потерять компрессию после теплового цикла. Долгосрочная надежность должна быть подтверждена путем ускоренного тестирования (например, 1000 часов при 85 ° C / 85 % RH) до начала производства.

Ограничения высокой частоты

На миллиметровых частотах (24-79 ГГц для радара) обычные экраны с использованием листового металла могут быть неэффективны из-за апертур и распространения волновода. Щит для радиолокационных модулей часто требует высокоточных корпусов с резьбовыми креплениями и вентиляционными отверстиями. Тенденция к интегрированным решениям антенны на кристалле еще больше усложняет экранирование, поскольку антенна должна иметь беспрепятственный вид, в то время как остальная часть чипа остается экранированной.

Стандарты и испытания для автомобильного щита

Соответствие требованиям к ЭМС в автомобильной промышленности регулируется набором международных стандартов, определяющих методы и пределы испытаний. Эффективность защиты оценивается косвенно с помощью испытаний на выбросы и иммунитет на уровне системы.

Испытание эффективности экранирования на уровне компонентов иногда проводится с использованием метода инжекторного зонда или метода передачи импеданса (например, IEC 62153-4-11 для кабелей). Эти измерения характеризуют производительность экрана перед интеграцией в транспортное средство.

Щит в передовых автомобильных системах

Стремление к электрификации, автоматическому вождению и подключенным транспортным средствам предъявляет новые требования к конструкции экранирования. Понимание этих конкретных вариантов использования имеет важное значение для инженеров EMC.

Электрические и гибридные автомобили

Высоковольтные (400В-800В) тяговые системы генерируют сильные магнитные поля от обмоток двигателя и переключения инверторного тока (устройства SiC и GaN с быстрым временем подъема). Эти поля могут соединяться в низковольтные ремни, вызывающие проводимые и излучаемые выбросы. Щит высоковольтных кабелей требуется регулированием (например, ECE R10). Корпус инвертора должен обеспечивать путь низкого давления для токов общего режима; неспособность сделать это приводит к напряжению вала и несущим токам, которые могут повредить двигатель.Щитные шины и экранированные разъемы теперь стандартны в силовых агрегатах EV.

ADAS и автономные транспортные средства

Передовые системы помощи водителю (ADAS) полагаются на радар, лидар, камеру и ультразвуковые датчики, каждый из которых работает на разных частотах. Радарные модули (77 ГГц) особенно чувствительны к помехам от близлежащих датчиков или от собственных вычислительных платформ транспортного средства. Щит не только предотвращает помехи, но и снижает риск отражения фантомных объектов от конструкции транспортного средства. Корпус самого радарного датчика действует как щит для внутренних MMIC, в то время как диафрагма антенны должна оставаться открытой - задача проектирования часто решается путем размещения электромагнитного прозрачного радома над антенной.

Лидарные системы с вращающимися зеркалами или твердотельным лучевым рулевым управлением генерируют значительный электрический шум от двигателей или приводной электроники.Щитирование изолирует эти выбросы от схемы фотоприемника, которая должна обнаруживать слабые обратные импульсы против высокого окружающего света.

V2X и клеточная связь

Системы связи между транспортными средствами (V2X) (DSRC, C-V2X) работают на частоте 5,9 ГГц и должны сосуществовать с бортовым Wi-Fi (2,4/5 ГГц), Bluetooth и сотовой связью (LTE, 5G). Разнообразие антенн автомобиля часто требует нескольких антенн, установленных на крыше или в окнах. Щит внутренних цифровых двигателей (например, модем V2X и коммутатор Ethernet) имеет важное значение для предотвращения десенсибилизации. Проводящие прокладки вокруг корпуса модуля крыши и ферритовые заторы на линиях электроснабжения являются типичными решениями.

Заключение

Щит остается краеугольным камнем инженерии EMC в автомобильной промышленности. Его роль выходит за рамки простой блокировки сигналов: он напрямую влияет на безопасность, целостность данных, соответствие нормативным требованиям и способность интегрировать передовые технологии. От корпусов клеток Фарадея до проводящих покрытий и экранированных кабелей, разнообразие типов экранирования позволяет инженерам адаптировать решения к конкретным частотным диапазонам, условиям окружающей среды и целевым показателям стоимости. По мере того, как транспортные средства становятся более электрифицированными и автономными, требования к производительности экранирования будут усиливаться, требуя постоянных инноваций в материалах, производственных процессах и инструментах моделирования проектирования. Понимание физики, стандартов и практических компромиссов имеет важное значение для любого инженера, работающего над тем, чтобы завтрашние транспортные средства работали надежно во все более электромагнитно переполненном мире.

Для дальнейшего чтения по стандартам EMC, обратитесь к CISPR 25 стандартный обзор и ISO 11452 серии испытаний на иммунитет . Практические руководящие принципы проектирования для защитных материалов можно найти через ведущих поставщиков, таких как Laird Performance Materials и Parker Chomerics.