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強(qiáng)化車(chē)載電子系統(tǒng)安全性車(chē)輛EMC設(shè)計(jì)

更新時(shí)間:2017-11-05點(diǎn)擊次數(shù):3316

車(chē)載電子系統(tǒng)不僅容易受到外在環(huán)境因素干擾,其內(nèi)部電路板走線(xiàn)也常會(huì)產(chǎn)生噪聲問(wèn)題,造成運(yùn)作不穩(wěn)定或失效;因此,電磁兼容設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作,便成為開(kāi)發(fā)車(chē)載電子設(shè)備*的重要環(huán)節(jié)。

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)對(duì)車(chē)載電子的需求越來(lái)越大,使得裝載于車(chē)輛上的電子系統(tǒng)持續(xù)增加。車(chē)輛屬于一項(xiàng)長(zhǎng)距離移動(dòng)且長(zhǎng)時(shí)間使用的交通工具,運(yùn)作的環(huán)境條件無(wú)法預(yù)期,相較于一般信息產(chǎn)品,車(chē)輛電子系統(tǒng)穩(wěn)定度的要求嚴(yán)苛許多。再者,車(chē)輛配置空間有限,各系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸須透過(guò)較長(zhǎng)的線(xiàn)束連接,環(huán)境噪聲容易借此耦合到線(xiàn)束上,造成電子系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至誤判。此外,電子系統(tǒng)一般皆由印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)與電子零件組成,為了達(dá)到即時(shí)(Real-Time)判斷與控制,PCB板上多以高速信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或轉(zhuǎn)換,快速變換的信號(hào)亦容易產(chǎn)生電磁干擾問(wèn)題。

因此,車(chē)載電子系統(tǒng)除了配置環(huán)境所受到的外部干擾外,亦包含PCB板本身走線(xiàn)所產(chǎn)生的噪聲,故車(chē)載電子系統(tǒng)的電磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)設(shè)計(jì)便顯得格外重要。

抑制EMC問(wèn)題從設(shè)計(jì)源頭做起

由電生磁,由磁生電,「電」跟「磁」是相互相依的存在,因此市售的各類(lèi)電子產(chǎn)品或電機(jī)設(shè)備在通電使用的過(guò)程中,必定會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。為避免電磁輻射透過(guò)空氣耦合到其他設(shè)備導(dǎo)致異常,過(guò)去二、三十年來(lái),間主要的經(jīng)濟(jì)體國(guó)家先后建立標(biāo)準(zhǔn)法規(guī),明確地訂定各類(lèi)電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁輻射必須符合電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn),否則該電子產(chǎn)品無(wú)法在當(dāng)?shù)厣鲜袖N(xiāo)售;而電磁兼容包含電磁干擾(Electromagnetic Interference,EMI)與電磁耐受(Electromagnetic Susceptibility,EMS)兩個(gè)部分。

欲抑制電子產(chǎn)品EMC問(wèn)題,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初去解決是zui容易,且成本zui低的;一個(gè)精密電子設(shè)備的組成構(gòu)架由zui初的電路板設(shè)計(jì),慢慢集合成為一個(gè)功能模塊,zui后再組成一個(gè)系統(tǒng);因此,在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)的階段即能考察EMC問(wèn)題,分析PCB走線(xiàn)可能產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象,再針對(duì)這些噪聲源的成因,進(jìn)行各項(xiàng)預(yù)防措施與布局,將能有效抑制噪聲干擾,以及提升電磁耐受能力。

圖1所示為一般PCB的設(shè)計(jì)流程,在設(shè)計(jì)初期的電路分析(Schematic Design),為了方便計(jì)算,元件皆假設(shè)為*的理想值,非常容易發(fā)現(xiàn)與修正硬件參數(shù)上的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤;到了零件擺置(Components Placement)階段,若沒(méi)有全面考察PCB上主要零件的數(shù)據(jù)處理流向,以及規(guī)畫(huà)信號(hào)屬性區(qū)別分隔的話(huà),進(jìn)入走線(xiàn)設(shè)計(jì)(PCB Layout Design)時(shí),就會(huì)發(fā)現(xiàn)大量布線(xiàn)交錯(cuò),且走線(xiàn)沒(méi)有系統(tǒng)性,信號(hào)干擾的肇因往往源自于此。

起初產(chǎn)品在功能面的表現(xiàn)上,不會(huì)有太大的問(wèn)題,到了測(cè)試驗(yàn)證階段時(shí),才會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題接踵而來(lái),此時(shí)發(fā)生的電磁干擾問(wèn)題,通常須要耗費(fèi)更多的時(shí)間與人力來(lái)解決,zui終多是回到設(shè)計(jì)階段重新進(jìn)行零件擺置與Layout走線(xiàn)設(shè)計(jì),然后再經(jīng)過(guò)打樣與組裝(PCB Assembly),造成產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)程將延遲,且成本將提高數(shù)倍。

因此,若工程人員在設(shè)計(jì)初期,即導(dǎo)入PCB Design-in的觀念,確實(shí)的規(guī)畫(huà)與布局,分析PCB走在線(xiàn)干擾源可能發(fā)生的原因,針對(duì)這些噪聲源的成因,做各項(xiàng)修正、預(yù)防與抑制措施,將能有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)程與節(jié)省成本。

追求系統(tǒng)安全電磁干擾防治為關(guān)鍵

本文描述之硬件電路開(kāi)發(fā)系建構(gòu)在一車(chē)用圖像安全系統(tǒng)上,圖2所示為車(chē)用圖像硬件平臺(tái)之構(gòu)架圖。

該系統(tǒng)采雙高速數(shù)位信號(hào)處理器(DSP),為處理核心進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算;圖像擷取單元為電荷耦合元件(CCD)或互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體感測(cè)器(CMOS Sensor)攝像機(jī),取得駕駛道路環(huán)境的圖像送到譯碼單元,將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP可接受之?dāng)?shù)位信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與判斷;數(shù)據(jù)存取單元包含非揮發(fā)性?xún)?nèi)存Flash與DDR2,用以?xún)?chǔ)存譯碼單元處理后的圖像信息及DSP運(yùn)算分析后的結(jié)果,再結(jié)合車(chē)身控制區(qū)域網(wǎng)路(Control Area Network,CAN)信號(hào),分析駕駛環(huán)境可能潛在的危險(xiǎn)性,并透過(guò)警示單元提醒駕駛?cè)耍繇毰浜霞磿r(shí)影像,則可透過(guò)編碼單元,將處理后的數(shù)位影像信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬訊號(hào)并顯示于屏幕(Monitor)上,方便駕駛?cè)伺凶x。

系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)畫(huà)有助于進(jìn)行電子零件配置與線(xiàn)路布局,由圖3可知,由于系統(tǒng)同時(shí)具有數(shù)位信號(hào)以及模擬信號(hào),屬于混合信號(hào)控制系統(tǒng)。

高速數(shù)位信號(hào)多以百萬(wàn)分之一秒,甚至更高的速度進(jìn)行高/低準(zhǔn)位變換,信號(hào)于高準(zhǔn)位時(shí),由電源平面提供所需的工作電流,低準(zhǔn)位時(shí)則不消耗電流,因此數(shù)位信號(hào)在狀態(tài)改變時(shí),由于快速抽載與卸載,造成電源平面的電流瞬間變化,產(chǎn)生切換噪聲或接地彈跳,致使電源平面不停振蕩進(jìn)而導(dǎo)致電壓準(zhǔn)位跳動(dòng)。一旦電壓變動(dòng)的程度超過(guò)芯片所容許的范圍,系統(tǒng)功能就會(huì)受到影響甚至重置(Reset),同時(shí)固定周期的時(shí)脈信號(hào)(Clock),帶有強(qiáng)烈的高頻成分,與其他信號(hào)線(xiàn)太靠近時(shí),會(huì)將已達(dá)射頻(RF)頻率的能量耦合到其他信號(hào)在線(xiàn),造成串音干擾(Cross Talk)。

模擬信號(hào)較為敏感,容易受到高速信號(hào)干擾而造成原始信號(hào)失真,導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理分析判斷錯(cuò)誤,因此在模擬數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)與數(shù)位模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)信號(hào)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)布局上,須避免兩種不同屬性的元件交錯(cuò)擺置,并且將兩種屬性的地平面(GND Plane)予以區(qū)隔,預(yù)防噪聲透過(guò)地平面相互影響(圖3)。

完成零件配置規(guī)畫(huà)后,尚須考察多層PCB板堆疊(Stack)設(shè)計(jì)。印刷電路板依電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度有不同層數(shù)可供運(yùn)用,而PCB板上各層間走線(xiàn)均屬于一個(gè)信號(hào)發(fā)散的3D電磁場(chǎng)空間,包含傳導(dǎo)、輻射以及感應(yīng)耦合現(xiàn)象,因此在PCB板層的堆疊設(shè)計(jì)上便顯得相當(dāng)重要。

適當(dāng)?shù)乩么竺娣e鋪銅做為屏蔽(Shielding),來(lái)阻擋干擾噪聲是常見(jiàn)的方法;另外,因特性阻抗Zo具有頻率特性,會(huì)造成走在線(xiàn)的信號(hào)強(qiáng)度隨頻率而衰減,且走在線(xiàn)的電流會(huì)循著阻抗zui低的路徑自行回流,在進(jìn)行線(xiàn)路布局時(shí),必須試著對(duì)PCB板上所有的走線(xiàn),提供低阻抗的線(xiàn)路,避免走線(xiàn)的回流路徑過(guò)大,而產(chǎn)生不必要的噪聲與干擾。

根據(jù)特性阻抗公式得知,增加電容值C能降低走在線(xiàn)的特性阻抗;再根據(jù)電容公式可知,兩極板之間的距離越小,電容效應(yīng)越好,特性阻抗就越小;上述兩式,可適當(dāng)應(yīng)用在PCB多層板設(shè)計(jì)上。

特性阻抗除了會(huì)影響信號(hào)強(qiáng)度外,也會(huì)造成信號(hào)在走在線(xiàn)產(chǎn)生反射波,導(dǎo)致信號(hào)波形紊亂而影響信號(hào)完整性(Signal Integrity)。阻抗值與走線(xiàn)方式、寬度、參考平面距離及PCB材質(zhì)等有相對(duì)關(guān)系,根據(jù)傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)理論,阻抗值為50Ω的傳輸線(xiàn),有著*的信號(hào)傳輸質(zhì)量與zui小的衰減量,而PCB阻抗值的范圍約在25~120Ω之間,可透過(guò)調(diào)整走線(xiàn)寬度或板層間絕緣材質(zhì)的厚度,來(lái)得到近似50Ω的阻抗值。

圖4為本文系統(tǒng)之阻抗設(shè)計(jì),一般信號(hào)線(xiàn)(Signal-End)阻抗設(shè)計(jì)為50Ω±10%,差動(dòng)信號(hào)線(xiàn)(Differential)阻抗為100Ω±10%;一些特殊阻抗要求可參考各家芯片設(shè)計(jì)廠商所提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)

做好接地回路設(shè)計(jì)噪聲干擾問(wèn)題有解

隨著電子通訊設(shè)備普及,寬帶時(shí)代的定位系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)及無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙通信等,逐漸成為車(chē)內(nèi)基本配備;在有限的車(chē)體空間里,系統(tǒng)裝置之間多以長(zhǎng)線(xiàn)束做為連接或進(jìn)行信號(hào)傳遞,不同電子系統(tǒng)之線(xiàn)束,會(huì)同時(shí)捆綁以便于進(jìn)行車(chē)內(nèi)配線(xiàn),因此干擾噪聲也容易相互耦合到鄰近的線(xiàn)材上。

圖像信號(hào)是較為敏感的信號(hào)線(xiàn),且大多須搭配屏幕即時(shí)顯示駕駛環(huán)境,圖像質(zhì)量的優(yōu)劣更容易被察覺(jué),如畫(huà)面出現(xiàn)水波紋、扭曲、閃爍等現(xiàn)象。為避免線(xiàn)束上的耦合干擾,圖像信號(hào)可選用外層具有地線(xiàn)包覆之線(xiàn)材,利用外層包覆的地線(xiàn)來(lái)達(dá)到屏蔽噪聲效果。

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