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强化车载电子系统安全性车辆EMC设计

发布日期: 2016-04-25
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车载电子系统不仅容易受到外在环境因素干扰,其内部电路板走线也常会产生噪声问题,造成运作不稳定或失效;因此,电磁兼容设计与验证工作,便成为开发车载电子设备不可或缺的重要环节。

全球汽车产业对车载电子的需求越来越大,使得装载于车辆上的电子系统持续增加。车辆属于一项长距离移动且长时间使用的交通工具,运作的环境条件无法预期,相较于一般信息产品,车辆电子系统稳定度的要求严苛许多。再者,车辆配置空间有限,各系统之间的信号传输须透过较长的线束连接,环境噪声容易借此耦合到线束上,造成电子系统工作不稳定甚至误判。此外,电子系统一般皆由印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)与电子零件组成,为了达到即时(Real-Time)判断与控制,PCB板上多以高速信号进行数据传输或转换,快速变换的信号亦容易产生电磁干扰问题。

因此,车载电子系统除了配置环境所受到的外部干扰外,亦包含PCB板本身走线所产生的噪声,故车载电子系统的电磁兼容(Electromagnetic Compatibility,EMC)设计便显得格外重要。

抑制EMC问题从设计源头做起

由电生磁,由磁生电,「电」跟「磁」是相互相依的存在,因此市售的各类电子产品或电机设备在通电使用的过程中,必定会产生电磁辐射。为避免电磁辐射透过空气耦合到其他设备导致异常,过去二、三十年来,国际间主要的经济体国家先后建立标准法规,明确地订定各类电子产品所产生的电磁辐射必须符合电磁兼容的标准,否则该电子产品无法在当地上市销售;而电磁兼容包含电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)与电磁耐受(Electromagnetic Susceptibility,EMS)两个部分。

欲抑制电子产品EMC问题,从系统设计之初去解决是zui容易,且成本zui低的;一个精密电子设备的组成构架由zui初的电路板设计,慢慢集合成为一个功能模块,zui后再组成一个系统;因此,在进行电路板设计的阶段即能考察EMC问题,分析PCB走线可能产生的干扰现象,再针对这些噪声源的成因,进行各项预防措施与布局,将能有效抑制噪声干扰,以及提升电磁耐受能力。

图1所示为一般PCB的设计流程,在设计初期的电路分析(Schematic Design),为了方便计算,元件皆假设为无误差的理想值,非常容易发现与修正硬件参数上的设计错误;到了零件摆置(Components Placement)阶段,若没有全面考察PCB上主要零件的数据处理流向,以及规画信号属性区别分隔的话,进入走线设计(PCB Layout Design)时,就会发现大量布线交错,且走线没有系统性,信号干扰的肇因往往源自于此。

起初产品在功能面的表现上,不会有太大的问题,到了测试验证阶段时,才会发现问题接踵而来,此时发生的电磁干扰问题,通常须要耗费更多的时间与人力来解决,zui终多是回到设计阶段重新进行零件摆置与Layout走线设计,然后再经过打样与组装(PCB Assembly),造成产品的量产时程将延迟,且成本将提高数倍。

因此,若工程人员在设计初期,即导入PCB Design-in的观念,确实的规画与布局,分析PCB走在线干扰源可能发生的原因,针对这些噪声源的成因,做各项修正、预防与抑制措施,将能有效缩短产品开发时程与节省成本。

追求系统安全电磁干扰防治为关键

本文描述之硬件电路开发系建构在一车用图像安全系统上,图2所示为车用图像硬件平台之构架图。

该系统采双高速数位信号处理器(DSP),为处理核心进行复杂的数学运算;图像撷取单元为电荷耦合元件(CCD)或互补式金属氧化物半导体感测器(CMOS Sensor)摄像机,取得驾驶道路环境的图像送到译码单元,将模拟图像信号转换为DSP可接受之数位信号进行数据分析与判断;数据存取单元包含非挥发性內存Flash与DDR2,用以储存译码单元处理后的图像信息及DSP运算分析后的结果,再结合车身控制区域网路(Control Area Network,CAN)信号,分析驾驶环境可能潜在的危险性,并透过警示单元提醒驾驶人,若须配合即时影像,则可透过编码单元,将处理后的数位影像信号转换回模拟讯号并显示于屏幕(Monitor)上,方便驾驶人判读。

系统架构规画有助于进行电子零件配置与线路布局,由图3可知,由于系统同时具有数位信号以及模拟信号,属于混合信号控制系统。

高速数位信号多以百万分之一秒,甚至更高的速度进行高/低准位变换,信号于高准位时,由电源平面提供所需的工作电流,低准位时则不消耗电流,因此数位信号在状态改变时,由于快速抽载与卸载,造成电源平面的电流瞬间变化,产生切换噪声或接地弹跳,致使电源平面不停振荡进而导致电压准位跳动。一旦电压变动的程度超过芯片所容许的范围,系统功能就会受到影响甚至重置(Reset),同时固定周期的时脉信号(Clock),带有强烈的高频成分,与其他信号线太靠近时,会将已达射频(RF)频率的能量耦合到其他信号在线,造成串音干扰(Cross Talk)。

模拟信号较为敏感,容易受到高速信号干扰而造成原始信号失真,导致数据处理分析判断错误,因此在模拟数位转换器(ADC)与数位模拟转换器(DAC)信号转换的设计布局上,须避免两种不同属性的元件交错摆置,并且将两种属性的地平面(GND Plane)予以区隔,预防噪声透过地平面相互影响(图3)。

完成零件配置规画后,尚须考察多层PCB板堆叠(Stack)设计。印刷电路板依电路设计的复杂程度有不同层数可供运用,而PCB板上各层间走线均属于一个信号发散的3D电磁场空间,包含传导、辐射以及感应耦合现象,因此在PCB板层的堆叠设计上便显得相当重要。

适当地利用大面积铺铜做为屏蔽(Shielding),来阻挡干扰噪声是常见的方法;另外,因特性阻抗Zo具有频率特性,会造成走在线的信号强度随频率而衰减,且走在线的电流会循着阻抗zui低的路径自行回流,在进行线路布局时,必须试着对PCB板上所有的走线,提供低阻抗的线路,避免走线的回流路径过大,而产生不必要的噪声与干扰。

根据特性阻抗公式得知,增加电容值C能降低走在线的特性阻抗;再根据电容公式可知,两极板之间的距离越小,电容效应越好,特性阻抗就越小;上述两式,可适当应用在PCB多层板设计上。

特性阻抗除了会影响信号强度外,也会造成信号在走在线产生反射波,导致信号波形紊乱而影响信号完整性(Signal Integrity)。阻抗值与走线方式、宽度、参考平面距离及PCB材质等有相对关系,根据传输线设计理论,阻抗值为50Ω的传输线,有着zui佳的信号传输质量与zui小的衰减量,而PCB阻抗值的范围约在25~120Ω之间,可透过调整走线宽度或板层间绝缘材质的厚度,来得到近似50Ω的阻抗值。

图4为本文系统之阻抗设计,一般信号线(Signal-End)阻抗设计为50Ω±10%,差动信号线(Differential)阻抗为100Ω±10%;一些特殊阻抗要求可参考各家芯片设计厂商所提供的数据为准

做好接地回路设计噪声干扰问题有解

随着电子通讯设备普及,宽带时代的全球定位系统、多媒体系统及无线蓝牙通信等,逐渐成为车内基本配备;在有限的车体空间里,系统装置之间多以长线束做为连接或进行信号传递,不同电子系统之线束,会同时捆绑以便于进行车内配线,因此干扰噪声也容易相互耦合到邻近的线材上。

图像信号是较为敏感的信号线,且大多须搭配屏幕即时显示驾驶环境,图像质量的优劣更容易被察觉,如画面出现水波纹、扭曲、闪烁等现象。为避免线束上的耦合干扰,图像信号可选用外层具有地线包覆之线材,利用外层包覆的地线来达到屏蔽噪声效果。

                           -END-                

 

 

 

 

 

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