汽车电容感应的电子系统兼容性

电子小跑腿

产品的电子系统兼容性需要接受电磁兼容性 (EMC) 测试。电子产品在特定地区销售和使用前必须通过一系列特定的测试。汽车电子系统有专门的EMC测试，这是因为电子子系统需要在其他产生噪声的电气设备附近正常运行。汽车环境中的振动和温度范围也需要进行由AEC-Q100等独立芯片级别认证流程定义的附加认证。

　　EMC是电子系统在不对其他电子系统的性能产生负面影响的条件下正常运行的能力。ISO和 IEC兼容性技术规范包括辐射 (通过空气传输)和传导(通过线束)测试。每项测试涵盖了电子子系统的发射 (从系统向外放射) 和抗扰 (影响被测子系统的外部来源) 能力。因此，共有以下四种不同的EMC测试，并且每种测试对应不同的EMC测试标准：
　　1. 传导抗扰测试 (ISO11452-4)
　　2. 辐射抗扰测试 (ISO 11452-2)
　　3. 传导发射测试 (CISPR25)
　　4. 辐射发射测试 (CISPR25)
　　实际上，还有第五项测试，称为静电放电 (ESD) 测试，也常常与上述EMC测试一起讨论。但这项测试与其他测试存在明显的区别——该测试使用静电发射枪将静电荷注入子系统中以测量其抗扰性。本文将深入探讨前四项EMC测试。
　　下面，我们将以电容传感应用为例，更详细地探讨EMC测试。此外，本文还将介绍各地区汽车制造商 (比如丰田、宝马、大众等) 规定的一些自定义EMC测试。我们还将介绍设计兼容汽车环境的电子系统时的一些系统层面的内容以及业内进行EMC测试时所遇到的挑战。
　　故障级别一览
　　EMC测试是为了评估被测系统以及周围的其他系统是否能够在噪声环境中正常运行。汽车环境中的一些EMC故障症状如下：
　　1. 车辆启动时的非关键电子设备故障 (例如：车载娱乐系统、电动车窗控制、车内照明等)
　　2. 发动机控制单元 (ECU) 或制动系统等关键电子设备因负载突降过程中的功率激增而发生故障
　　3. 汽车车载娱乐系统的声音输出如同发动机或起动电机启动时的声音
　　4. 汽车跳线跨接启动过程中对电路造成的永久性破坏
　　5. 电子系统因电气干扰而出现错误和意外重启
　　汽车制造商通过故障分级确认了上述症状的严重性。故障分级的典型例子见表1。
　　表 1. 故障分级列表

　　必须注意的是，严重程度并不代表故障的重要程度。所有系统，无论是关键系统还是非关键系统，都可能发生上述类别中的任何故障。但ECU、制动控制、安全气囊控制、动力传动系统等关键系统的故障接受程度不同。这些系统不得出现任何故障，即便是级别5的故障也不例外。多媒体、车载娱乐系统、电动车窗等非关键系统的接受程度往往较低。根据故障对系统的整体影响，部分级别4和级别5的故障通常可以接受。接受程度由制造商根据故障对汽车各子系统可能造成的结果以及解决非关键问题的成本决定。
　　汽车集成电路的认证
　　所有电子部件，尤其是用于汽车嵌入式系统的半导体集成电路必须能够在苛刻的汽车环境中正常运行。AEC-Q100等设备标准由汽车电子委员会制定，是半导体制造商车用设备认证的指导文件。
　　下面列出了在AEC-Q100认证中测试的部分集成电路主要参数：
　　1. 零件工作温度试验 (一般情况下最高125℃)
　　2. 加速寿命试验
　　3. 压力试验
　　4. 焊线和焊锡球抗剪试验
　　5. 人体模型 (HBM) ESD试验和 闩锁试验
　　6. 非易失性存储器耐久试验
　　7. 短路可靠性鉴定
　　由于汽车系统对电子部件的可靠性有严格的要求，因此系统设计师必须选择经过AEC-Q100认证的集成电路。鉴于所涉及的复杂性，建议联系制造商获得本文未涵盖的有关AEC-Q100认证部件的具体信息。制造商还会为产品提供详细的文件与应用支持，以便通过汽车EMC测试。
　　系统层面的EMC测试方法
　　EMC实验能够定量测试被测系统是否适合用于汽车。该系统还必须在运行过程中足够“安静”，从而不干扰周围的其他设备。在稳健性或抗扰测试中，通过线束(传导抗扰) 或射频天线 (辐射抗扰) 将外部噪声注入。在注入噪声的过程中，观察系统的运行。注入不同频率的噪声，根据标准规范中的规定控制噪声的强度。
　　为了定量测试被测系统的传导抗扰性，需按照频谱强度将线束上的噪声电压频谱绘制成图表。在辐射抗扰测试中，通过位于标准规范规定距离的相应射频天线获得噪声频谱。无论是哪种情况，频谱必须低于规范中规定的合格限值。表2列出了部分通用的汽车EMC规范。
　　表2 - 各地区的EMC标准

　　此外，汽车制造商常常会制定自己的规范，其中大部分比通用标准更加严格。表3列举了部分车厂自定的汽车EMC标准。
　　表 3 – 车厂自定的EMC标准

　　传导抗扰测试
　　汽车环境的传导抗扰测试在所有EMC测试中最为严格，因此，要通过抗扰测试的难度最大。在传导抗扰测试中，通过线束将噪声注入系统。系统必须能在噪声环境中正常运行。

　　图1 - ISO-11452 EMC设置线路图

　　图1是用于控制乘用车暖通空调控制单元的电容传感用户界面 —— 赛普拉斯PSoC系统。在ISO11452-4 EMC标准测试中，射频噪声发生器通过射频耦合钳将噪声注入被测系统的电源线束中。噪声的频率范围是1MHz 至 400 MHz，强度是射频耦合钳中的200mA回路电流 。见图2。

　　图 2 – ISO11452-4实验室设置

　　例如，赛普拉斯CapSense界面等电容传感界面已代替了许多汽车用户界面中的机械按钮。可根据是否出现以下故障判断电容触摸传感系统的功能是否正常：
　　1. 未出现错误的触摸，即在人未触摸输入传感器时，系统不会检测到触摸输入
　　2. 未出现触摸灵敏度下降，即用户无需用力触碰输入传感器，系统就能感应到触摸输入
　　3. 未出现卡住现象，即在用户停止触摸输入后，系统不应卡在探测到触摸的状态
　　4. 系统在EMC噪声注入时不得出现间歇性的重启。
　　为了通过传导抗扰测试，在设计系统时必须小心谨慎，包括电压调节器电路的设计以及瞬变电压抑制 (TVS) 二极管等电路保护元件的使用。尤其是通过12伏汽车蓄电池为子系统提供稳定电压的低纹波汽车电源的设计对于产品的合规性至关重要。图3显示的是ISO11452-4 测试中电源导轨的输出电压纹波，蓝色表示非汽车电源电路Rev1电路板，红色表示精心设计的汽车电源 Rev2电路板。

　　图3 - 不同电源电路传导抗扰测试过程中的电压纹波

　　根据传导抗扰测试过程中注入的噪声频率绘制纹波图。如图所示，如果电源电路的设计良好，100MHz区域的纹波会大幅减弱。此次测试的对象是为汽车暖通空调用户界面控制单元设计的赛普拉斯PSoC4电容传感系统。
　　另一项抗扰测试 —— ISO7637-2 瞬变抗扰测试是汽车系统特有的测试，该测试模拟在跳线跨接启动、负载突降、点火启动、电池反接等车内事件过程中线束上所产生的典型电气噪声。在电源路径中使用TVS二极管和串联电感器等合适的保护设备有助于减少瞬变对被测系统的影响。
　　辐射发射测试
　　在汽车环境中，辐射发射测试对于开关频率的系统而言尤其重要，比如触屏车载娱乐系统和包括车内蓝牙与钥匙系统在内的射频收发器等。辐射发射测试使用射频天线测量被测系统的发射频谱。使用频谱分析器测量频谱强度 (FFT振幅)。图4是电波消声室内测量辐射发射的实验室设置。

　　图4 – 实验室辐射发射设置

　　测试频率及其规定的振幅限值以各自的EMC标准为准。由于最新的汽车系统所产生的振幅和频率更高，因此如今EMC标准中的最高频率已达到5GHz。在大部分情况下，只使用一根射频天线无法测量较大范围频率下的发射，因此在测量多个频带时需要使用多根天线。在这一过程中，所有天线的天线阻抗必需相等，从而可以比较整个频率范围。目前，整车制造商都在使用覆盖全部频率区间的宽带蝶形天线。如图5所示。

　　图5 - 用于射频发射测试的宽带蝶形天线

　　减少较高频率下发射的方法之一是控制引起发射的开关信号的上升时间。另一项方法是使用扩展频谱技术扫描所产生的频率，从而使所有能量平均分布在更宽的频带。有时，制造商将这些方法与特定的部件相集成。例如，为了有效地达到辐射发射标准，赛普拉斯在其电容传感技术中同时提供这两种技术。
　　辐射抗扰测试
　　辐射抗扰测试也使用发射测试中的天线。在测试中，射频噪声通过辐射介质 (空气) 被注入到被测系统中。通过测试的标准类似于上文中提到的传导抗扰测试。使用屏蔽和导体机箱等方法减少辐射对被测系统的影响。
　　传导发射测试
　　在传导发射测试中，系统将噪声注入经常作为多种子系统总线共轨的电源线 (线束)。在大多数情况下，汽车的电子子系统不是线束上电气噪声的主要来源。假如它们产生明显的传导噪音，则可通过在电源接入点设计带有合适旁路电容器的系统改进结果。
　　EMC兼容性标准方面的挑战
　　由于在现代汽车中，电子子系统执行的是关键功能，因此兼容性标准已变得越来越严格。许多整车制造商都强制规定，即便是非关键电子子系统都必须通过EMC抗扰测试并且不得产生任何故障，包括上文中的级别5故障。此外，汽车EMC测试所涉及的方面越来越多，子系统的各项功能都需要在各种噪声频率下接受完整的测试。非关键特性，如子系统的用户响应时间和低功耗模式等也需要接受完整的测试并且不得出现任何偏差，即便是用户不通过EMC测试就无法发现的也不例外。
　　由于目前的EMC测试耗时数小时，因此需要自动化的EMC测试流程。例如，如果对电容传感子系统进行一次完整的EMC测试，则仅仅是传导抗扰测试就需要3小时以上，而整套EMC测试的耗时更是长达20小时以上。由于移动和物联网 (IoT) 应用程序往往位于被测系统的附近 (比如用户携带手机或连接WiFi无线网络的设备进入车内)，因此，EMC辐射抗扰和发射测试中的频带范围已扩展到5GHz以外。
　　大部分 EMC都在电波消声室内进行，电波消声室的墙壁使用的是能够防止辐射发射反射的吸波材料。这是一种与汽车子系统实际所在环境完全不同的理想环境。因此，有些整车制造商还会使用金属室或调谐回响室刻意制造朝被测系统的反射。这样，他们就能研究这些反射对系统功能和抗扰性的影响。
　　众所周知，汽车电子子系统的设计难度不断增加，尤其是在兼容性方面。此外，控制成本和最大程度地减少不断增加的辐射源使设计变得更加复杂。有时，终端用户可能带着不兼容或非汽车级别的设备进入车内，从而影响系统的功能。这一点很难通过标准EMC测试发现。常见的例子是在车内不兼容的手机收到来电时，车载娱乐系统会发出异响。
　　EMC基础设施方面的挑战
　　EMC测试中所使用的设备非常昂贵。通常，普通的汽车一级供应商无法购买自行使用的设备，通常的做法是向经过认证的EMC实验室租借场地与设备。但每小时的租赁成本也十分高昂。此外，如果未通过EMC测试，则设计工程师需要修改系统 (硬件、固件等) 并且需要付出额外的成本在实验室再次进行测试。由于EMC实验室的数量有限并且等待实验室“档期”的一级供应商数量众多，因此从设计师申请到实际使用之间需要等到很长的时间，这进一步影响了整体上市时间。
　　减少外部实验室使用成本并提高效率的一种方法，是公司在内部设计场所使用预认证设备调校系统。预认证设备无法精确测量强度，但可以提供大致的噪声频谱供设计师对系统进行微调。
　　汽车电子子系统的产品兼容性与电磁兼容性已逐渐成为一项越来越大的挑战。电子产品自设计阶段开始就必须把重点放在兼容性上。由于内部射频专业知识与测试设备有限，因此难以进行测试。为此，仅仅使用符合标准的芯片不足以使公司确保能够通过汽车子系统EMC测试。芯片制造商需要积极支持他们的芯片产品。虽然应用说明可以描述实现EMC兼容性的最佳方法，但每部子系统都是独一无二的。因此，您必须有经验丰富的应用工程师帮助您审核硬件原理图和PCB布局，并且调校固件参数。