EMC分析在汽车工业中的应用

.AutomotiveEMCMay2007EMC分析在汽车工业中的应用[e-mail]2007内容提要•天线系统分析–风挡玻璃对GPS天线设计的影响•EMC分析–电子控制单元和CISPR25测试的仿真•干扰分析Interferenceanalysis–车内布线的串绕分析•包含PCB的系统级EMC分析.AutomotiveEMCMay2007汽车电子系统•汽车工业在电子设备方面出现长足的发展•发动机运转控制优化，电子娱乐信息系统，防撞系统，传感器系统等(TPMS－轮胎气压监视系统)•复杂的电磁环境需要设计者正确的设计和集成.AutomotiveEMCMay2007ThesavingsmadethroughusingsimulationtoolssuchasFLOEMChavebeensubstantial‘‘’’Dr.UweLautenschlagerSimulation&CoordinationSiemensVDOAutomotiveSiemensVDOAutomotive(汽车娱乐电子信息系统提供商)在设计车内多媒体及导航系统时使用到FLO/EMC软件。对西门子VDO来说挑战在于如何用昀低的成本来生产更高质量的产品。FLO/EMC使用户可以在产品设计的过程中就进行电磁兼容性的仿真，同时使其满足机械工程的要求。通过把EMC仿真工作集成到整个产品的开发流程中去，可以帮助设计者大幅降低所设计产品通不过EMC测试的风险。这样既可以帮助设计者提升对电磁现象的理解同时还可以帮助设计者有效的判断那种电磁设计可以提升产品的性能水平。仿真同样可以大大降低产品开发的时间。,asthemainmodelingeffortoccursonlyonce..AutomotiveEMCMay2007MICROSTRIPES－经典电磁场仿真工具•基于三维时域TLM算法（传输线矩阵法）的电磁场仿真器•非常适合于：–EMC和信号完整性分析SI–EMP和雷击分析–连接器电性能设计–复杂电磁环境下天线的设计（手机、笔记本电脑、汽车、RFID、船舶、飞机等）–微波器件的设计.AutomotiveEMCMay2007TLMTDBasedEMSimulationEngineGeometricModelImpulseExcitationImpulseResponseSurfaceCurrentandEFieldScatterParametersRadiationPatternFFT.AutomotiveEMCMay2007精简模型•在EMC领域，某些结构的细节部分对整体EMC性能非常重要：–缝隙，搭接，线缆，通风板等•通常情况下人们会对这些细节部分划分很细小的网格来分辨他们，但是这样会带来：–超长的仿真计算时间–极大的计算内存需求•MicroStripes提供一种非常有效精简模型来替代这些细节的建模：–基于场耦合的等效电模型线束通风板小孔螺钉缝隙Connector.AutomotiveEMCMay2007精简模型（缝隙及孔）螺钉间的距离搭接宽度缝宽缝深度＝金属厚度通风板上的孔缝隙搭接.AutomotiveEMCMay2007精简导线模型举例•IEEETC9测试模型[3]•入射的平面波：–3nS内线性的升高到1V/m的强度–电场矢量水平极化–入射方向在XZ面偏离X轴-45度•计算出在接地点线3、4（右图）上面的电流•所有线缆导体的半径为1.75mm•线缆的电阻率为2Ω/mTLM模型TLM模型使用6cm的网格大小，产生20万网格，计算运行30秒得出计算结果。.AutomotiveEMCMay2007与IEEETC9基准数据比较TLM(MicroStripes)TLM(MicroStripes)线3上的电流线4上的电流.AutomotiveEMCMay2007IEEETC9基准数据导线及导体表面的电流响应（动画）.AutomotiveEMCMay2007Octree网格技术ƒ距离金属表面越近，网格越细化ƒ距离金属表面越远，网格越更多的被合并成更大的网格ƒ在Micro-Stripes中自动生成这种类型的网格分布ƒ在很多情况下，网格总数会因此减小90%以上金属表面.AutomotiveEMCMay2007车载天线系统•设计车载天线时必须考虑到其应用环境：–靠近天线的物体结果会恶化天线的各项指标，包括扰乱其辐射方向图•举例一车载GPS天线的设计：–工作频段1575.42MHz–从GPS卫星接收时采用右旋园极化–通常考虑使用单馈点产生园极化的天线设计方案–但双馈点园极化天线通常有更宽的频带.AutomotiveEMCMay2007GPS天线设计•贴片天线设计需要考虑：–对于GPS的工作频率来说，贴片的大小？–使用双馈点还是单馈电？–有限大地面尺寸对天线性能的影响多大？双馈点（馈点间相位差90度来产生园极化）单馈点（使用切角技术产生园极化）.AutomotiveEMCMay2007GPS天线的回波损耗在GPS频点有很好的匹配，45MHz的带宽（-10dB）.AutomotiveEMCMay2007辐射特性在-50到+60度轴比5dBLHC,RHC,AR.AutomotiveEMCMay2007前风挡对天线性能的影响4mm厚的玻璃风挡玻璃风挡使天线的工作频率偏移了5MHz.AutomotiveEMCMay2007前风挡对天线性能的影响轴比周围是空气（蓝线）靠近玻璃（红线）在GPS工作频段电场的动画Glasswindshieldshiftsthedirectionofoptimalaxialratiofrom0to-30degrees.AutomotiveEMCMay2007车体对天线辐射的影响在整车仿真中用预先计算好的单个天线等效辐射表面（精简源CompactSource）来代替详细天线模型，可以使分析整车时的计算更快。EFieldat1575.42MHz.AutomotiveEMCMay2007车体对天线辐射的影响右旋园极化左旋园极化天线辐射方向图明显被车体的金属所干扰，右旋园极化方向图产生了很多锯齿状辐射，同时左旋园极化的分量也明显增大。.AutomotiveEMCMay2007车体对天线辐射的影响右旋（红线），左旋（黑线）轴比在-30到+30度轴比5dB.AutomotiveEMCMay2007小结•天线的性能受周围工作环境的影响很明显•很精确的估计出玻璃风挡对天线工作点漂移的影响和对辐射方向图的改变•车体的金属表面会在天线的辐射方向图中产生零点，同时会降低天线主波束的宽度.AutomotiveEMCMay2007轮胎压力检测.AutomotiveEMCMay2007汽车EMC分析•电子控制模块（ECM）的辐射发射•用CISPR25标准测试•1米远处辐射场的测量•1.5米长的电缆位于大面积铜板上方5cmCISPR25.AutomotiveEMCMay2007针对CISPR25标准的仿真昀终理想的方式是针对CISPR25辐射发射测试标准建立一个虚拟暗室模型来仿真，这样需要在自由空间中建立一个铜制平板以及放置其上的ECM模块、线缆、被控设备等。计算域以外的地平面距离线缆1m远的观测点.AutomotiveEMCMay2007ECM(电子控制模块)•模块为金属外壳封装，其中一面遍布塑料接头，连接模块内部电缆和外部电缆。•该模块位于一个5cm厚的泡沫塑料上面（介电常数约为1.4）。•垂直的铜片提供一个连接模块和桌面的低阻通路。.AutomotiveEMCMay2007设计注释•从PCB设计的角度来看，由内层走线（地址或者数据总线）导致的直接辐射基本上可以忽略，因为在这些信号线的上下两面均存在连续的地平面。•PCB上的电磁辐射来源于未被屏蔽的微处理器的管脚和其内部电路•为给微处理器散热，需要将其与散热片或者基板相连。•为了控制ESD静电放电及EMC辐射、敏感度，在连接器和PCB的地平面间总是放置一些贴片旁路电容。.AutomotiveEMCMay2007内部互连结构•角上4颗螺钉连接基板和机壳顶盖。•这4点为电连接，其他使用无导电性密封剂的部位都会被当作缝隙处理。•PCB被通过6个连接点连接到基板上•主要的辐射源是位于PCB板下方的微处理器•关心的辐射频段为30到1000MHzPCB和基板的连接点.AutomotiveEMCMay2007壳体的缝隙安装用衬垫造成了适合于电磁辐射的缝隙缝隙采用精简缝隙模型来代替.AutomotiveEMCMay2007微处理器噪声源模型•微处理器和基板是热连接的•在处理器和基板间会产生一个共模电压，并造成辐射•该共模通路将传递噪声电流到基板上，并成为系统主要的辐射源•PCB板和基板之间的连接将提供共模电流的物理回流路径（其效果如何？）•噪声源用一根带有电压源的导线表示，另一端通过电容与地板相连。用线源表示的微处理器噪声源.AutomotiveEMCMay2007设计参数变更的考虑1.地板和盖子之间由于衬垫导致的缝隙在电磁兼容方面有多大影响？2.如果去掉PCB和地板相连的中间2个连接点，辐射会有什么样的变化？3.如果在为塑料接插件所预留的孔上使用良导体的接插头（增加屏蔽），那么辐射特性如何？4.如果在处理器周围添加一些PCB和地板间的连接点（提供共模电流回流路径），会对辐射造成多大影响？.AutomotiveEMCMay2007试验模型的设计1.基准模型PCB和地板之间存在6个连接点外壳上存在缝隙2.没有缝隙的模型在基准模型的基础上去掉缝隙3.减少PCB和地板间的连接在基准模型的基础上去掉PCB板中间两个连接点4.微处理器的回流路径在基准模型的基础上，在微处理器周围加4个回流连接点5.使用导体的接插头（传导分析）在模型4中加上2个导体接头.AutomotiveEMCMay2007DOE仿真结果BaselineNoslotsReducedPCBtobaseconnectionsMicroprocessorreturnpinsConnectorclips电缆谐振在某些频点上增加了辐射90,180,270MHz….AutomotiveEMCMay2007在峰值频点处的表面电流和电场分布90MHz690MHz当导线长度等于半波长的整数倍时，将会发生谐振.AutomotiveEMCMay2007辐射特性垂直极化水平极化与我们直观猜想不同，垂直极化分量远大于水平极化分量（这是由导线和地平面间的相互作用所导致－－镜像电流）.AutomotiveEMCMay2007PCB上表面电流分布在微处理器下面添加回流路径（PCB和地板之间）可以降低PCB和线缆上的共模电流基准波形处理器下多四个回流路径.AutomotiveEMCMay2007小结•从ECU上产生的辐射主要来源于PCB上共模电流的分布–PCB上的共模电流流到电缆上进而辐射•PCB和外壳地板间的连接可以有效改变共模电流的路径–可以用来抑制共模电流的辐射•CISPR25测试标准的配置会影响辐射发射的极化方式–垂直极化高于水平极化•通过分析可以更全面的掌握各种设计更改对EMC的影响到底多大–本例中从壳体上去除缝隙并不会显著的改变辐射水平（本例传导辐射为主）.AutomotiveEMCMay2007MS独有的仿真技术•宽带分析•基于八叉树（Octree）的网格合并技术（Lumpingcell）•各种精简模型－搭接、缝隙、线缆•可使用集总电路元件•精简源模型•大于计算域范围计算结果的输出•计算域外地平面的考虑.AutomotiveEMCMay2007结束语－仿真技术的发展•天线和EMC方面的电磁场仿真技术刚刚成熟起来（5年左右）。•在一些重要的结构细节部分，仿真领域中需要强调的是如何开发出高效率的计算技术。•需要继续关注新的功能需求，并增加新的计算能力。