汽车内电磁环境的建模分类

中心议题：

• 解决汽车电子车载设备EMC问题的思考方法和设计流程

解决方案：

• 进行设计需要从发射和抗扰度两个方面出发
• 在遵守EMC相关法令和汽车厂商所要求的指标的同时，使终端用户感到满意
• 对于设计技术人员而言，重要的是将EMC设计视为产品的基本功能之一

汽车电子化的进展迅速，已经进入了使用电子技术实现高端功能的时代。与此同时，在设计阶段便考虑电磁环境的做法也愈发重要。汽车整体和开发的全部工序都需要在充分意识到EMC（Electro-magnetic Compatibility）的体系中实施。也就是说，“EMC设计框架”已经是不可或缺的机制。

这一机制包括了设计技术、EMC对策、系统开发、交流等产品化所需要的技术和体制。如果能够按照生产一线的实际情况对这些进行恰当的整理，那么就可以灵活应对人们对于汽车的需求变化。

在这里，笔者将以汽车导航系统（车载导航仪）设计一线的经验为依据，从汽车部件厂商的角度出发，介绍对车载设备EMC的思考方法、以及设计流程的一部分。

电磁辐射强度随着车载导航仪的高性能而增大
首先介绍车载导航仪的多功能化和高速化。众所周知，车载导航仪的出发点是导航，然后才是通过DSRC（Dedicated Short Range Communications ）、电视、移动网络等通信手段与车外相连接。现在，车载导航仪已不再是单纯的指路工具，而是发展成为了能够借助各类供应商进行多种内容交换的双向交流装置。为了向驾驶员提供安全、放心、便利、舒适的驾驶环境，车载导航仪正在向联结人与机械（这里指汽车）的HMI（Human Machine Interface）中心转变（图1）。


图1：汽车多媒体全球导航仪从“指路”装置转变成了向驾驶员提供“贴心服务”和“愉悦心情”的“HMI中心”。(点击放大)

今后，车载导航仪的多媒体化还将继续发展，在兼顾前面提到的“安全放心”、“便利舒适”这两个主轴的同时，不断增加功能（图2）。因此，与EMC相关的技术也将愈发重要。比如，当车载导航仪能够与车辆内各个仪器联动，协助防止冲撞时，车载导航仪本身作为传感器，就需要较高的可靠性。这时，抗扰度（对于电磁噪声的耐受性）就会成为课题。而且，随着车内外网络的拓展，防止与外部仪器之间相互干扰的EMC技术也愈发重要。在声音识别和停车辅助等车载导航仪本身的多功能化，以及音视频娱乐功能的一体化进程中，考虑电磁噪声的发射问题是不可回避的课题。


图2：车载导航仪的多媒体化在兼顾“贴心服务”和“愉悦心情”的同时增加功能。EMC成为重要课题。

来自CPU和内存的辐射增大
在这里，让我们来回顾一下车载导航仪的发展历史。1987年作为电子地图显示装置问世的车载导航仪，首先于1990年实现了搜索前往目的地路径和指路的功能，然后，到1995年左右，指路实现了语音化。接着，进入2000年以后，与各种网络服务联动的多媒体化得到了发展。

为了实现上述进步，车载导航仪的性能得到了稳步提高。以路径搜索时间为例，2007年与1990年相比，时间缩短到了1/10以下。位置误差（精度）实现了1/6以下的高精度化（图3）。


图3：性能的变化图在从导航仪向语音导航仪、多媒体型导航仪转变的过程中实现了大幅度的高速化·高精度化。

其原动力毋庸置疑是CPU的进步（即计算机系统的大规模化和时钟的高速化）。车载导航仪的CPU时钟和内存总线时钟频率近来得到了快速提高（图4）。CPU时钟频率正在逼近上限，今后，提高性能可能要依赖在一个LSI内配置多个CPU的多CPU化进程。而另一方面，DRAM的内存总线还在以不增加位宽的前提下提高性能，因此，时钟频率的上升势不可挡。


图4：车载导航仪用CPU/DRAM的高速化趋势辐射能的预测趋于重要。

芯片面积和时钟频率的增加容易导致辐射电磁噪声增大。因此，对这些辐射源的辐射进行预测管理会逐渐成为重要环节。对于车载导航仪的核心（Navi-Core），如图5（a）所示，CPU和总线是主要辐射源。由经验可知，直接来自于CPU的辐射能指标Pc与工作电压的平方、工作频率、芯片面积分别成正比，这些数值的积被作为“辐射能指标”应用到了预测管理（图5（b）注1）之中。内存总线的辐射能指标Pm也同样与工作电压的平方、工作频率、内存总线位宽的积成正比。

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注1）来自CPU的电磁噪声主要有以下两个发生源：（1）来自时钟线和信号线的辐射，（2）驱动电路直通电流的辐射。笔者认为（2）占主要地位。驱动电路一般由两个晶体管的图腾柱结构组成，在时钟的边缘部分存在电流贯穿上下晶体管的时刻。该直通电流的辐射是过流进入无限接近于0的阻抗时产生的，远远大于（1）中充放电电流流经时钟线和信号线布线时的辐射。因此可以认为，辐射同样为（2）较大。


图5：车载导航仪的CPU/内存总线辐射能

把这些辐射能指标的变化绘制成图表可以得到类似于图5（c）的增长曲线。该指标为20以下时无需特殊对策，70以下时需要从设计阶段开始实施对策，如果超过70，凭借现有的知识则很难找出对策。因此，2010年之后的对策技术开发将更加重要。
如上所述，随着电子电路辐射能的增大，从设计阶段开始研究EMC已经成为了不可或缺的步骤。

车辆的电磁环境整理为3级
图6给出的树形图对于理解EMC的整体结构很有帮助，本公司的内部培训也经常使用。这是按照发射/抗扰度、传导/辐射的组合，把EMC分成四个大类进行整理的方法。其中，在设计阶段的EMC研究和测量精度方面，尤其需要注意的是电场的辐射。

图6：EMC的分类树在设计阶段研究EMC时需要特别注意电场辐射噪声。(点击图片放大)

EMC有国际标准，与发射相关的CISPR（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques）、与抗扰度相关的ISO（International Organization for Standardization）等都被制定成了标准。此外，各国和地区也通过法律对发射和抗扰度进行了规制。

而且，汽车厂商为了使汽车产品能够上市，还会沿袭CISPR和ISO的思考方法，自行制定一些部分更加严格的标准。各汽车厂商制定的发射标准与CISPR25（用于保护车载接收器的干扰波限值及测量法）相比，有时GPS频带和通信频带的发射限值规定会偏低，对于部件厂商而言要求非常严格。

辐射抗扰度的标准同样如此，某些汽车厂商甚至提出了在雷达频带下抗扰度为600V/m的苛刻要求。与ISO11452（车载仪器的抗扰度试验标准）在特定频率下的期望值为200V/m相比，需要耐受3倍的数值，所以汽车厂商要求的指标更为苛刻。

如上所述，进行设计需要从发射和抗扰度两个方面出发，在遵守EMC相关法令和汽车厂商所要求的指标的同时，使终端用户感到满意。对于设计技术人员而言，重要的是将EMC设计视为产品的基本功能之一。

但是，电子仪器的网络环境正在车内外不断拓展。车外有借助手机等的广域通信网、借助无线LAN的狭域无线系统。车内则遍布信息系统、车体系统、传动系统等多种有线LAN。所涉及的EMC模式按照图7整理为3级后更加容易理解。如图，1级是与发射塔·无线基站·雷达等车辆外部相关的EMC，2级是与车载导航仪和车载仪器间的干涉相关的EMC，3级是与车载导航仪的仪器内干涉相关的EMC。（特约撰稿人：）


图7：EMC的3级分类