汽车电子设计中的EMI处理技术

gushiren

汽车上的电子设备越来越多，嵌入式处理机在汽车中的应用越来越广，包括控制、增加方便性和舒服度，从复杂的发动机和刹车控制到自动无线电设备以及车内温度控制系统等。由于不断增加的车内电子设备，汽车就有了电磁干扰问题。这些问题可以令人感觉不舒服（例如收音机里的噪声），到使人心烦，甚至会损坏汽车（电源瞬态信号冲击发动机控制模块）。随着系统时钟频率的增加以及逻辑信号沿变陡，会产生更多的EMI辐射，降低EMI敏感度，从而使问题变得更为严重。
本文介绍汽车内的EMI环境，并讨论在设计阶段如何发现并避免很多的一般EMI问题。本文会涉及很多解决方案，但是重点还是在介绍PCB的设计方法,利用了EMSCAN近场测试的理论对PCB进行前期分析。
汽车的EMI问题
汽车电子受到多方面的影响，包括恶劣的环境，高可靠性的要求，以及对成本的高度敏感性。幸运的是，这些问题是可以通过好的EMI设计技术来克服的。
汽车内部的电路面临很多环境问题，包括电源冲击、无线电干扰（均包括去和来2个方向的附近的或者车内的无线电发射和接收设备），静电放电，以及电源线上的电场和磁场。由于汽车需要去几乎任何地方，所以必须考虑最恶劣的情况。
汽车电子必须被设计为非常高的可靠性。在上百万辆汽车中，即使是只有一辆车有问题，也是不允许的。而且，任何影响汽车安全的系统必须是“自动防故障装置”。系统必须是易于安装、测试和修复的。当然，必须还要以尽可能低的成本来实现。
目前恶劣的电磁环境使得环境中的干扰可以轻易高达50±100 伏/米，假设距离是固定的，那么即使是一个功率只有1W的手机在距离为1M的地方也能产生5.5V/m的电磁辐射，如果是一个功率为100W的则能达到50W/m的强度，这甚至比一个功率为100000W的设备在距离为1000米的地方产生的辐射还要强。所以在车辆中使用的任何设备都可以产生很强的辐射，甚至于手持电话都可能干扰问题。
几乎所有的交通工具中都由人来操控，而人本身就是一个静电放电源，这是汽车电子EMI问题中的另外一个主要问题，静电放电产生的电流脉冲足以导致任何敏感性差的电子设备系统产生工作异常甚至是损坏。此外由于静电放电产生的电磁场也能够通过辐射的方式影响到周围电子系统，导致这些系统工作异常。值得注意的静电放电的时间在很短的时间也就是1～2ns的时间内就完成，瞬间的电流可以达到10A甚至更高，而1ns的上升沿则可以导致高达500MHZ的辐射，因此静电放电实际是一个高频干扰，在设计中必须要考虑到高频的抗干扰问题。
因为干扰可以随着电源线（变压器）通向任何地方，所以在汽车电子系统的设计中也必须考虑到电源线上电场和磁场的影响。

汽车的EMI辐射
几乎所有的汽车现在都带有AM/FM 收音机（甚至还有到VHF波段的），因此现在汽车电子设计中一个很只要的问题就是任何控制这些数字电路中产生的辐射问题，而这些问题是很令人头疼的，而且发生在很多急救系统（例如警察、消防、救护车等）中的干扰来说则显得是致命的。因此现在实行的是对这些设备制造商规定严酷的向外发射的幅值水平。
为什么商业用途的也要规定发射限值，原因是为了保护其周围3－10米内的其他设备能够正常工作，所以FCC以及CISPR等机构都对此作出了严格规定限值，类似的情况军品也同样作出了规定，只不过军品的等级更高而已，所以设计之中都必须考虑EMI的辐射问题。
汽车环境下的电磁辐射比商业或者军事环境要严格得多。首先是因为汽车无线电接收机比电视接收机要灵敏得多，其次是因为产生干扰的电路比无线电接收机（商业或者军事）靠的更近，一般都在天线的1米以内。
汽车电子在辐射发射方面的问题主要集中在FM波段（88-108 MHz），微处理器通常成为最初的骚扰源，这些骚扰很容易通过线缆，无线及PCB方式对外进行辐射，在某种意义上来说数字系统就象一系列小的电台发射系统，但是值得注意的是不管是时钟速率还是边缘速率都对收音机产生了一定的干扰，但是起主导作用的不是时钟速率的变化。        
任何导线一旦它的物理长度超过了波长以后都可以成为一个高效的天线，就如电缆在系统中是最长的导线，所以电缆在系统中的天线效应是最值得大家去注意的，因为很多问题都是因为电缆的天线效应引起的。在一个高频的系统中，即使是PCB上的走线也足够成为高效的辐射源，解决这些问题的关键就是如何不让这些能量与这些潜在的天线发生关联。
根据理论计算出来的结论，1/20波长的天线是EMI问题最集中的，绝大多数的通信系统中使用的线缆长度都超过了1/4波长，但只有那些所谓的短天线才能成为主要辐射源。基于1/20波长的标准，一个1.5米长度的线缆在10MHZ以上都是高效的天线，即使是一个15cm的线缆在100MHZ以上也是一个高效天线，而100MHZ恰好就是FM波段范围。在300 MHz,电缆长度被缩减为5cm，这样即使是PCB上的走线也足以成为高效的天线系统。
EMI设计策略
如果要彻底的解决这些潜在的EMI问题，我们必须从以开始设计的时候就考虑这些问题，然而目前我们对此缺乏足够的认识，但是正确的做法是在我们的设计过程之中始终关注这些问题的存在，利用EMSCAN可以方便的得到设计之中每一个过程的EMI结果，在采取了相应的措施之后我们可以很方便进行全面评估。
不同问题采取不同的处理方法
任何EMI问题都应该采取最有效的处理策略。但是在实际中我们往往希望采取一个策略能够解决所有的问题，这往往是不现实的，针对出现的不同问题我们必须要采取不同的最佳策略来解决，有时候是多个策略的综合。
电源冲击―――策略就是在在电源输入的初级增加冲击保护，并且同时需要增加电源滤波器。过载保护电路是通常采用的方法，在设计中采用的噪声耐受软件对于保护电源冲击来说也是一个高效的手段。
无线电干扰――策略就是让干扰远离那些容易受到干扰的电路。这就要求在作为天线的线缆上安装高频滤波器（无论是电源还是I/O口上的），同时要注意电路的layout以及去耦电路设计。屏蔽电缆以及模块屏蔽是高效的，然而对于汽车电子来说是不可取的，因为这些都需要昂贵的代价。
静电放电（ESD）―――――策略就是通过暂态抑制来限制破坏程度，或者在电源以及I/O上增加高频滤波器，在板子上也要做好滤波及去耦电路的设计，做好layout工作，甚至可能要做适当的屏蔽处理。很多针对RF干扰及敏感性设计的方法都直接对抑制ESD问题产生效果。
电源线上的电场和磁场―――策略就是使用扼流圈，包括在许多重要电路中最好屏蔽以及滤波措施，许多RF干扰及敏感性措施同样会发生作用，这个问题属于传导问题范围，通常都比较容易解决。
辐射发射―――――策略就是通过电路的layout，滤波，地线，屏蔽等措施来抑制发射源的方法来彻底解决。对于汽车电子来说，主要是通过电路的layout以及滤波、地线设计来实现，而考虑到成本压力的问题，很少采用屏蔽。
EMI与 IC 设计水平的关系
作为系统电路的供应商，通常用户都希望电路在EMI方面显得安静。毕竟所有的人都希望可以从源头上得到抑制，那么为什么不把所有的问题集中于IC设计中来，并且一起解决呢？
如果仅仅是这么简单的问题，那么系统设计者就可以直接把所有的EMI问题直接推给IC供应商了，但是这显然是不切合实际的，不能解决所有的EMI问题，因为IC的速度，成本，性能以及宽电压工作直接与EMI问题有关，低速IC意味这比较少的EMI问题，但是也意味这性能的降低，因为在汽车电子设计中现在需要的更高的性能要求，这就意味着更高的时钟频率以及更快的边缘速率，因此许多的工作还是要靠电路工程师来通过下列其他的方法来解决的。
EMI与PCB设计水平的关系
这是汽车电子设计能否通过EMI的关键之所在，也是工程师需要花大量精力来做文章的地方。当然目前主要依靠的是经验，尤其体现在PCB  layout的功力以及走线的设计。当然这都有一些一般的规则可以值得参考，以下就是一些常用的建议：
首先从一开始就要考虑EMI设计的问题，确定电路设计应该遵循什么样的总体规则去做，是否采用多层板，确定滤波以及去耦电路的种类及数量，当然如果将来我们发现是多余的就可以很方便的将其去除。然后在整个设计中贯彻EMI的观念，一个好的EMI设计产品和电路设计工程师以及layout工程师共同奋斗的结果，如果时钟频率以及边缘速率增加的情况下合作就显得更为重要。再次要尽早尽量多的进行测试，EMI问题并不是一个精密学科，不会一成不变的。尽早发现那些潜在的一致性问题，在前期发现问题无论是成本还是手段都比设计后期或者是生产时发现显得经济的多。
EMI对于当今的汽车电子设计来说时一个必须要考虑的问题，而围绕PCB来考虑的方法则是一个非常正确并且是高效的手段，这也是非常体现工程师水平的，只有设计的产品通过了EMI论证，你才有可能全身心的投入到下一个产品的设计工程之中去。
EMI 与线缆、系统连接器的关系
通常是由于成本或者是重量的原因使得汽车电子设计中不能使用屏蔽线缆或者是昂贵的带滤波器的连接器，这样使得线缆上的EMI问题很容易得到体现，即使是一般常用的磁环也不能使用，所以只能在板子的I/O接口处加一些比如象滤波或者是电源冲击保护这样的简单措施，将来的趋势是使用光纤，那时集中在线缆上的EMI问题就会减少很多，但是目前由于价格过于昂贵而不被采用，但就是光纤被大量采用，EMI问题还是会从电源线上得到体现的，所以线缆上的EMI问题应该得到高度重视。
EMI 与模块设计水平的关系
就如线缆屏蔽一样，在汽车电子设计中也是因为成本原因很少考虑采用价格昂贵的模块屏蔽设计，但是相对那些在板子采用很多器件、滤波器来说，模块屏蔽并不是一个完全不可取的策略，尤其在那些考虑到环境保护的场合下采用模块屏蔽是非常正确的。
模块屏蔽有两个方法，一个是密封所有的缝隙，另外就是对所有的出口都进行滤波设计，但是所有的材料都不可能做到绝对的屏蔽，每种材料都有一定的限值，例如镍可以达到60dB的屏蔽性能甚至更高，而真空电镀则可以达到80dB的屏蔽性能，钢则高达120dB，当然前提就是所有的缝隙都是完全密封的，好的屏蔽并不一定是非常昂贵的，例如对电视调谐器上采用的金属外壳以及输入输出线缆上的滤波设计来说都是很成功的经验并且过去50年来一直得到正确的贯彻，事实也证明这样采用的性价比是很高的，将来汽车电子设计中采用类似情况会越来越多。
EMI 与软件设计水平的关系
通常我们很容易忽略这方面造成的辐射问题，虽然在很多时候我们已经注意到不同软件之间的区别，事实的情况就是软件的设计水平可以对EMI问题造成直接的影响。就如容错设计一样，软件里面也应该考虑了噪声耐受方面的问题，这样可以达到两个简单的目标――避免系统完全工作失常并且可以恢复正常的工作，这并不需要花费很多的精力，甚至很多时候只是简单的增加几句命令而已。为了检验存储是否出错，增加校验码来确定存储状态是否已经发生了改变，为了检验程序是否出错，增加此模块程序的标记符，保存这些模块的标记符，当离开这些模块时进行校验，如果不一致说明已经出错了，程序进入了非法操作，为了检验I/O是否出错，在数据中增加打印或者是排列这样的语句就可以了，看门狗程序就可以很容易在程序飞跑的时候起到保护作用，这个通常是分离的程序，几乎所有的微处理器在内部都有相应的看门狗程序，如果程序发生问题就很容易恢复到一个已知的状态中，这些技术在汽车电子的设计中早就得到广泛的采用，而且效果也非常不错，这通常是处于安全方面的考虑，但是在对EMI敏感的问题上来说有时候可以起到非常明显的作用。
EMI电路板设计指导策略
看了前面的策略，我们很容易将焦点集中在电路板设计这个环节上来，因为这是电路设计者能做的最有效果的地方，下面我们就来分享一些针对如何抑制电路板上EMI问题的指导策略：

johnyoung67

谢谢啊，电磁干扰问题一直是调试过程中最需解决的问题。

feiyu

最近试制了一台车发现空调系统中鼓风机调速模块一工作就对转速表产生影响