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-- 發布時間：2010-12-14 11:37:35
-- 汽車內電磁環境的建模分類 (ZT)
Π紫劍青巾Π
2009/5/15 10:51:15
汽車電子化的進展迅速，已經進入了使用電子技術實現高端功能的時代。與此同時，在設計階段便考慮電磁環境的做法也愈發重要。汽車整體和開發的全部工序都需要在充分意識到EMC（Electro-magnetic Compatibility）的體系中實施。也就是說，“EMC設計框架”已經是不可或缺的機制。
這一機制包括了設計技術、EMC對策、系統開發、交流等產品化所需要的技術和體制。如果能夠按照生產一線的實際情況對這些進行恰當的整理，那么就可以靈活應對人們對于汽車的需求變化。
在這里，筆者將以汽車導航系統（車載導航儀）設計一線的經驗為依據，從汽車部件廠商的角度出發，介紹對車載設備EMC的思考方法、以及設計流程的一部分。
電磁輻射強度隨著車載導航儀的高性能而增大
首先介紹車載導航儀的多功能化和高速化。眾所周知，車載導航儀的出發點是導航，然后才是通過DSRC（Dedicated Short Range Communications ）、電視、移動網絡等通信手段與車外相連接。現在，車載導航儀已不再是單純的指路工具，而是發展成為了能夠借助各類供應商進行多種內容交換的雙向交流裝置。為了向駕駛員提供安全、放心、便利、舒適的駕駛環境，車載導航儀正在向聯結人與機械（這里指汽車）的HMI（Human Machine Interface）中心轉變（圖1）。
今后，車載導航儀的多媒體化還將繼續發展，在兼顧前面提到的“安全放心”、“便利舒適”這兩個主軸的同時，不斷增加功能（圖2）。因此，與EMC相關的技術也將愈發重要。比如，當車載導航儀能夠與車輛內各個儀器聯動，協助防止沖撞時，車載導航儀本身作為傳感器，就需要較高的可靠性。這時，抗擾度（對于電磁噪聲的耐受性）就會成為課題。而且，隨著車內外網絡的拓展，防止與外部儀器之間相互干擾的EMC技術也愈發重要。在聲音識別和停車輔助等車載導航儀本身的多功能化，以及音視頻娛樂功能的一體化進程中，考慮電磁噪聲的發射問題是不可回避的課題。
其原動力毋庸置疑是CPU的進步（即計算機系統的大規模化和時鐘的高速化）。車載導航儀的CPU時鐘和內存總線時鐘頻率近來得到了快速提高（圖4）。CPU時鐘頻率正在逼近上限，今后，提高性能可能要依賴在一個LSI內配置多個CPU的多CPU化進程。而另一方面，DRAM的內存總線還在以不增加位寬的前提下提高性能，因此，時鐘頻率的上升勢不可擋。
芯片面積和時鐘頻率的增加容易導致輻射電磁噪聲增大。因此，對這些輻射源的輻射進行預測管理會逐漸成為重要環節。對于車載導航儀的核心（Navi-Core），如圖5（a）所示，CPU和總線是主要輻射源。由經驗可知，直接來自于CPU的輻射能指標Pc與工作電壓的平方、工作頻率、芯片面積分別成正比，這些數值的積被作為“輻射能指標”應用到了預測管理（圖5（b）注1）之中。內存總線的輻射能指標Pm也同樣與工作電壓的平方、工作頻率、內存總線位寬的積成正比。
注1）來自CPU的電磁噪聲主要有以下兩個發生源：（1）來自時鐘線和信號線的輻射，（2）驅動電路直通電流的輻射。筆者認為（2）占主要地位。驅動電路一般由兩個晶體管的圖騰柱結構組成，在時鐘的邊緣部分存在電流貫穿上下晶體管的時刻。該直通電流的輻射是過流進入無限接近于0的阻抗時產生的，遠遠大于（1）中充放電電流流經時鐘線和信號線布線時的輻射。因此可以認為，輻射同樣為（2）較大。
把這些輻射能指標的變化繪制成圖表可以得到類似于圖5（c）的增長曲線。該指標為20以下時無需特殊對策，70以下時需要從設計階段開始實施對策，如果超過70，憑借現有的知識則很難找出對策。因此，2010年之后的對策技術開發將更加重要。
如上所述，隨著電子電路輻射能的增大，從設計階段開始研究EMC已經成為了不可或缺的步驟。
車輛的電磁環境整理為3級
圖6給出的樹形圖對于理解EMC的整體結構很有幫助，本公司的內部培訓也經常使用。這是按照發射/抗擾度、傳導/輻射的組合，把EMC分成四個大類進行整理的方法。其中，在設計階段的EMC研究和測量精度方面，尤其需要注意的是電場的輻射。
EMC有國際標準，與發射相關的CISPR（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques）、與抗擾度相關的ISO（International Organization for Standardization）等都被制定成了標準。此外，各國和地區也通過法律對發射和抗擾度進行了規制。
而且，汽車廠商為了使汽車產品能夠上市，還會沿襲CISPR和ISO的思考方法，自行制定一些部分更加嚴格的標準。各汽車廠商制定的發射標準與CISPR25（用于保護車載接收器的干擾波限值及測量法）相比，有時GPS頻帶和通信頻帶的發射限值規定會偏低，對于部件廠商而言要求非常嚴格。
輻射抗擾度的標準同樣如此，某些汽車廠商甚至提出了在雷達頻帶下抗擾度為600V/m的苛刻要求。與ISO11452（車載儀器的抗擾度試驗標準）在特定頻率下的期望值為200V/m相比，需要耐受3倍的數值，所以汽車廠商要求的指標更為苛刻。
如上所述，進行設計需要從發射和抗擾度兩個方面出發，在遵守EMC相關法令和汽車廠商所要求的指標的同時，使終端用戶感到滿意。對于設計技術人員而言，重要的是將EMC設計視為產品的基本功能之一。
但是，電子儀器的網絡環境正在車內外不斷拓展。車外有借助手機等的廣域通信網、借助無線LAN的狹域無線系統。車內則遍布信息系統、車體系統、傳動系統等多種有線LAN。所涉及的EMC模式按照圖7整理為3級后更加容易理解。如圖，1級是與發射塔·無線基站·雷達等車輛外部相關的EMC，2級是與車載導航儀和車載儀器間的干涉相關的EMC，3級是與車載導航儀的儀器內干涉相關的EMC。（特約撰稿人：大山 真次，電裝）
這一機制包括了設計技術、EMC對策、系統開發、交流等產品化所需要的技術和體制。如果能夠按照生產一線的實際情況對這些進行恰當的整理，那么就可以靈活應對人們對于汽車的需求變化。
在這里，筆者將以汽車導航系統（車載導航儀）設計一線的經驗為依據，從汽車部件廠商的角度出發，介紹對車載設備EMC的思考方法、以及設計流程的一部分。
電磁輻射強度隨著車載導航儀的高性能而增大
首先介紹車載導航儀的多功能化和高速化。眾所周知，車載導航儀的出發點是導航，然后才是通過DSRC（Dedicated Short Range Communications ）、電視、移動網絡等通信手段與車外相連接。現在，車載導航儀已不再是單純的指路工具，而是發展成為了能夠借助各類供應商進行多種內容交換的雙向交流裝置。為了向駕駛員提供安全、放心、便利、舒適的駕駛環境，車載導航儀正在向聯結人與機械（這里指汽車）的HMI（Human Machine Interface）中心轉變（圖1）。
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| 圖1：汽車多媒體全球導航儀從“指路”裝置轉變成了向駕駛員提供“貼心服務”和“愉悅心情”的“HMI中心”。(點擊放大) |
今后，車載導航儀的多媒體化還將繼續發展，在兼顧前面提到的“安全放心”、“便利舒適”這兩個主軸的同時，不斷增加功能（圖2）。因此，與EMC相關的技術也將愈發重要。比如，當車載導航儀能夠與車輛內各個儀器聯動，協助防止沖撞時，車載導航儀本身作為傳感器，就需要較高的可靠性。這時，抗擾度（對于電磁噪聲的耐受性）就會成為課題。而且，隨著車內外網絡的拓展，防止與外部儀器之間相互干擾的EMC技術也愈發重要。在聲音識別和停車輔助等車載導航儀本身的多功能化，以及音視頻娛樂功能的一體化進程中，考慮電磁噪聲的發射問題是不可回避的課題。
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| 圖2：車載導航儀的多媒體化在兼顧“貼心服務”和“愉悅心情”的同時增加功能。EMC成為重要課題。 |
在這里，讓我們來回顧一下車載導航儀的發展歷史。1987年作為電子地圖顯示裝置問世的車載導航儀，首先于1990年實現了搜索前往目的地路徑和指路的功能，然后，到1995年左右，指路實現了語音化。接著，進入2000年以后，與各種網絡服務聯動的多媒體化得到了發展。
為了實現上述進步，車載導航儀的性能得到了穩步提高。以路徑搜索時間為例，2007年與1990年相比，時間縮短到了1/10以下。位置誤差（精度）實現了1/6以下的高精度化（圖3）。
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| 圖3：性能的變化圖在從導航儀向語音導航儀、多媒體型導航儀轉變的過程中實現了大幅度的高速化·高精度化。 |
其原動力毋庸置疑是CPU的進步（即計算機系統的大規模化和時鐘的高速化）。車載導航儀的CPU時鐘和內存總線時鐘頻率近來得到了快速提高（圖4）。CPU時鐘頻率正在逼近上限，今后，提高性能可能要依賴在一個LSI內配置多個CPU的多CPU化進程。而另一方面，DRAM的內存總線還在以不增加位寬的前提下提高性能，因此，時鐘頻率的上升勢不可擋。
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| 圖4：車載導航儀用CPU/DRAM的高速化趨勢輻射能的預測趨于重要。 |
芯片面積和時鐘頻率的增加容易導致輻射電磁噪聲增大。因此，對這些輻射源的輻射進行預測管理會逐漸成為重要環節。對于車載導航儀的核心（Navi-Core），如圖5（a）所示，CPU和總線是主要輻射源。由經驗可知，直接來自于CPU的輻射能指標Pc與工作電壓的平方、工作頻率、芯片面積分別成正比，這些數值的積被作為“輻射能指標”應用到了預測管理（圖5（b）注1）之中。內存總線的輻射能指標Pm也同樣與工作電壓的平方、工作頻率、內存總線位寬的積成正比。
注1）來自CPU的電磁噪聲主要有以下兩個發生源：（1）來自時鐘線和信號線的輻射，（2）驅動電路直通電流的輻射。筆者認為（2）占主要地位。驅動電路一般由兩個晶體管的圖騰柱結構組成，在時鐘的邊緣部分存在電流貫穿上下晶體管的時刻。該直通電流的輻射是過流進入無限接近于0的阻抗時產生的，遠遠大于（1）中充放電電流流經時鐘線和信號線布線時的輻射。因此可以認為，輻射同樣為（2）較大。
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| 圖5：車載導航儀的CPU/內存總線輻射能 |
把這些輻射能指標的變化繪制成圖表可以得到類似于圖5（c）的增長曲線。該指標為20以下時無需特殊對策，70以下時需要從設計階段開始實施對策，如果超過70，憑借現有的知識則很難找出對策。因此，2010年之后的對策技術開發將更加重要。
如上所述，隨著電子電路輻射能的增大，從設計階段開始研究EMC已經成為了不可或缺的步驟。
車輛的電磁環境整理為3級
圖6給出的樹形圖對于理解EMC的整體結構很有幫助，本公司的內部培訓也經常使用。這是按照發射/抗擾度、傳導/輻射的組合，把EMC分成四個大類進行整理的方法。其中，在設計階段的EMC研究和測量精度方面，尤其需要注意的是電場的輻射。
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| 圖6：EMC的分類樹在設計階段研究EMC時需要特別注意電場輻射噪聲。(點擊圖片放大) |
EMC有國際標準，與發射相關的CISPR（Comite International Special des Perturbations Radioelectriques）、與抗擾度相關的ISO（International Organization for Standardization）等都被制定成了標準。此外，各國和地區也通過法律對發射和抗擾度進行了規制。
而且，汽車廠商為了使汽車產品能夠上市，還會沿襲CISPR和ISO的思考方法，自行制定一些部分更加嚴格的標準。各汽車廠商制定的發射標準與CISPR25（用于保護車載接收器的干擾波限值及測量法）相比，有時GPS頻帶和通信頻帶的發射限值規定會偏低，對于部件廠商而言要求非常嚴格。
輻射抗擾度的標準同樣如此，某些汽車廠商甚至提出了在雷達頻帶下抗擾度為600V/m的苛刻要求。與ISO11452（車載儀器的抗擾度試驗標準）在特定頻率下的期望值為200V/m相比，需要耐受3倍的數值，所以汽車廠商要求的指標更為苛刻。
如上所述，進行設計需要從發射和抗擾度兩個方面出發，在遵守EMC相關法令和汽車廠商所要求的指標的同時，使終端用戶感到滿意。對于設計技術人員而言，重要的是將EMC設計視為產品的基本功能之一。
但是，電子儀器的網絡環境正在車內外不斷拓展。車外有借助手機等的廣域通信網、借助無線LAN的狹域無線系統。車內則遍布信息系統、車體系統、傳動系統等多種有線LAN。所涉及的EMC模式按照圖7整理為3級后更加容易理解。如圖，1級是與發射塔·無線基站·雷達等車輛外部相關的EMC，2級是與車載導航儀和車載儀器間的干涉相關的EMC，3級是與車載導航儀的儀器內干涉相關的EMC。（特約撰稿人：大山 真次，電裝）
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| 圖7：EMC的3級分類 |