新仿真技術(shù)可抑制汽車(chē)系統電磁干擾

汽車(chē)中的利用電子控制的系統種類(lèi)越來(lái)越多，如數字調頻廣播、遠程無(wú)鑰匙進(jìn)入系統、胎壓監測系統、GPS、衛星數字電臺服務(wù)、藍牙、Wifi等等。消費者很熱衷于這些功能，但是在其背后，電氣系統集成電路的時(shí)鐘頻率、電路密度和復雜度也在持續增長(cháng)。大量的接入端口意味著(zhù)更多的設備能夠充當天線(xiàn)的角色，例如手機。此外，嵌入式控制單元數量增多、車(chē)載診斷（OBD-Ⅱ）數據傳輸率提高、控制器區域網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)增加均會(huì )導致潛在電磁干擾的增加。

整車(chē)的電磁干擾情況雖可通過(guò)仿真來(lái)進(jìn)行模擬，但一定要在成型的原型車(chē)上進(jìn)行。在這個(gè)階段，發(fā)現問(wèn)題并解決問(wèn)題需要耗費大量的時(shí)間和成本。此外，如今的汽車(chē)電子系統的復雜度高，數量龐大，要對每個(gè)系統進(jìn)行仿真模擬是一個(gè)巨大的工程。

不過(guò)，研究者最近開(kāi)發(fā)出了新型模擬仿真方法，能夠在電子系統出錯之前就發(fā)現并對其進(jìn)行修改。例如，新的模擬軟件可識別高速電子組件中發(fā)出的電磁干擾并確定其電磁輻射對汽車(chē)各個(gè)其他電子系統的影響。與物理原型測試不同，模擬測試能夠同時(shí)考慮各項設計之間可能會(huì )發(fā)生的不兼容情況。

在實(shí)驗過(guò)程中，研究者確立了幾項能夠降低電子系統電磁干擾的標準。其中，ISO 11451-2標準用來(lái)確定車(chē)輛對車(chē)外輻射源的免疫能力。該標準的測定方式是：在消聲實(shí)驗室中，將需要測試的電子系統打開(kāi)，并在其周?chē)仓镁哂刑炀€(xiàn)功能的設備，檢測其是否會(huì )受到電磁干擾。執行該測試的原型設備非常昂貴，測試需要大量時(shí)間，大幅限制了開(kāi)發(fā)效率。

這項測試中模擬時(shí)最大的挑戰是計算機需要進(jìn)行大量的計算才能模擬出消聲區域空間?；旌嫌邢拊瓦吔绶e分方法（FEBI）利用索末菲爾德型積分或許能夠解決這一問(wèn)題。利用該方法，建模時(shí)計算機則無(wú)需模擬出空氣區域的模型，同時(shí)能夠提供精確的遠場(chǎng)輻射條件計算。該技術(shù)能夠用于整車(chē)模擬，包括復雜的幾何形狀和電介質(zhì)材料，以更少的計算機資源達到更精確的模擬效果。

在一項研究中，研究者基于ISO 11451-2標準配置了電場(chǎng)分布和頻率頻率為1GHz的天線(xiàn)輻射遠場(chǎng)模式，并使用常規的有限元法進(jìn)行測量。仿真中包括測試需要的空氣模型，以及吸收元件。對于該特定仿真模型，89%的元件用于創(chuàng )建模擬空氣介質(zhì)。通過(guò)在高性能計算機平臺上采用域分解法模型，解決了該問(wèn)題。模擬中，12節點(diǎn)計算機平臺花費310分鐘以及75GB的數據量建立了該空氣模型。

然后，研究者利用混合有限元和邊界積分方法做了同樣的模型測試。有限元建模法中的大型空氣模型被兩個(gè)較小的空氣模型代替，其外面表非常接近天線(xiàn)和被測試車(chē)輛。吸收元件也用積分方程的邊界替換，所達到的結果是相同的。兩種建模方法中的天線(xiàn)遠場(chǎng)模式相似，也就是說(shuō)，混合有限元和邊界積分法與有限元積分法的建模精度是相近的。不過(guò)，前者同樣利用12節點(diǎn)HPC平臺，僅花了28分鐘和6.8GB的數據量就完成了建模，比后者的效率提升了10倍。

混合有限元和邊界積分還可用于測試ECU模塊的抗電磁干擾能力。將一塊印刷電路板（PCB）與發(fā)動(dòng)機導線(xiàn)線(xiàn)束連接后，共同添加進(jìn)仿真模型中。信號由發(fā)動(dòng)機底部傳感器發(fā)送，通過(guò)發(fā)動(dòng)機導線(xiàn)線(xiàn)束傳遞至印刷電路板。

為了了解線(xiàn)束系統的作用，研究利用兩個(gè)仿真過(guò)程清楚表達了其特性。在第一個(gè)仿真實(shí)驗中，將三個(gè)線(xiàn)束與印刷電路板連接。在第二個(gè)實(shí)驗中，將線(xiàn)束移除，并以一個(gè)隨機J1939隨機總線(xiàn)信號直接與印刷電路板連接器相連。結果表明，印刷電路板在與線(xiàn)束連接時(shí)會(huì )發(fā)生諧振。該諧振的頻率與線(xiàn)纜的長(cháng)度呈特定的函數關(guān)系。實(shí)驗結果表明源天線(xiàn)和印刷電路板之間的信號強度在152MHz-191MHz頻段時(shí)增加了30分貝。

除了抗電磁干擾能力之外，汽車(chē)組件的電磁兼容性也非常重要。安全氣囊和娛樂(lè )信息系統的運行狀態(tài)取決于ECU的運行速率。而MCU的運行速率則取決于其接收到的功率大小。印刷電路板設計的好壞能夠造成±100毫伏的壓差變化，對MCU造成的頻率波動(dòng)可達40-60赫茲，因此印刷電路板的設計必須要能夠滿(mǎn)足MCU的工作性能需求。電氣系統中設計芯片、封裝、印刷電路板設計，因此并不是靠單一廠(chǎng)商的高標準就能實(shí)現電氣系統高效工作?，F有的組件包裝設計采用非?；镜墓墓浪惴?，因此印刷電路板設計師往往得不到芯片的瞬態(tài)特性和功耗信息，設計非常不便。

芯片功率模型（Chip Power Model，CPM）能夠用于集成電路的低功率系統級仿真過(guò)程中。芯片功率模型中包括一個(gè)SPICE等效電路模型，能夠捕捉到全芯片轉換電流的特征以及芯片電網(wǎng)的寄生網(wǎng)絡(luò )。此外，該模型還可實(shí)現集成電路節能方案設計；在布線(xiàn)后階段，它可用于集成電路封裝的優(yōu)化。