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汽车EMC电磁兼容试验中的问题如何解决?

2022-12-09 10:53:02 朱玉龙 阅读:
在巨大算力的支持下,不仅提升了整车操控的流畅性,还使得车辆具备全生命周期的硬件升级进化能力。由于数据量的提升,高速数据连接成了智能汽车里面的必要的选择。汽车和整个社会的电气化时代已然来临,现代汽车环境内外均出现了各种EMI相关的问题。

随着中国汽车行业开始大力沿着“软件定义汽车”的方向发展,整车开始围绕SOA电子电气架构进行开发,高效的硬件平台以中央集成OIB、分域控制VIU为核心,具有强大的数据处理能力,能接管车辆主动操控汽车。在巨大算力的支持下,不仅提升了整车操控的流畅性,还使得车辆具备全生命周期的硬件升级进化能力。由于数据量的提升,高速数据连接成了智能汽车里面的必要的选择。vaEednc

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▲ 图1. 新型的电子电气架构vaEednc

汽车和整个社会的电气化时代已然来临,现代汽车环境内外均出现了各种EMI相关的问题。vaEednc

此类EMI干扰,导致了信号弱化或损坏;传输信号的解决方案是通过各种链接,一旦信号出现问题,可能导致关键传感器和ADAS系统故障,有时甚至会引发灾难性后果。vaEednc

Part 1:EMC问题

汽车对电磁干扰(EMI)性能具有严格要求,是所有车载设备都要面临的最严峻挑战之一。随着传输数据量的增长,对信号传输速度的要求也越来越快。行业面临的第一个挑战是要设定高速连接技术的限值和所需带宽。汽车工业和汽车制造商的目标是满足关于电磁兼容性(EMC)的要求,大致分为两个:vaEednc

一是必须确保电子设备自身不会发出过多的电磁干扰噪声(EMI);vaEednc

二是不被其他系统发出的噪声所影响(EMS)。vaEednc

目前,利用传统技术的车载连接解决方案,减少电子噪声影响主要的手段包括:减少带宽、减少电缆长度以及为增加昂贵的屏蔽电缆等。然而,上述所有解决手段并非最优解,反而会对下一代智能汽车的高速通信造成严重阻碍。vaEednc

● 减少带宽vaEednc

减少电子干扰并提高信噪比(SNR)最简单有效的方法之一就是降低带宽。vaEednc

但随着先进感知传感器(如相机、雷达和激光雷达)数量的增加和对传输质量的优化,带宽需求将急速增长。vaEednc

在这里,我们能看到整个设计的目标就是不断提升EE架构的链接带宽,因此技术层面会遇到更多困难。随着汽车的边沿计算能力增强,需要在理论的速度上,增加软件额外的传输需求。这就需要在做设计的过程中,提高芯片的能力。EMC若要符合要求,应当建立在高速传输和高带宽的基础上。vaEednc

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▲图2. 汽车带宽的增加vaEednc

● 限制电缆长度vaEednc

缩短信号传播的距离也大大减少了电磁干扰的影响,因为这让信号在整个通道中的衰减有限,能够保持原始强度。然而,汽车行业正在淘汰分布式E/E架构,转向域和集中式E/E架构,以帮助促进传感器融合和“软件定义汽车”(SDV),而这些新的汽车架构需要更长的布线(点对点的连接)。vaEednc

我们可以看到,整个集中式架构中,虽然整体线缆长度是减少的,但是对于单个信号来看,由于可能需要覆盖全车,特别是高速信号并不希望中转而是直接传输,所以信号传输的长度变长了。vaEednc

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▲图3. 分布式(边缘)、分区和集中式E/E架构vaEednc

——汽车行业正在从分布式体系结构(每个传感器连接到一个独立的ECU)转向分区和集中式体系结构(多个传感器连接到单个ECU),这需要更长的电缆、高带宽和强大的处理能力vaEednc

● 提高频率vaEednc

频率提高可以支持通道发送更高的带宽,这是一些车载连接解决方案为满足目前需求所采取的方法。然而,信号衰减随着频率的增加而增加,长距离传输效果将受到影响,并使连接电缆极度容易受到EMI的影响。vaEednc

● 增加屏蔽电缆vaEednc

增加屏蔽电缆以减少EMI的影响,同时也能够减少来自电缆本身的辐射干扰。这个方案似乎十分合适。vaEednc

然而,近来有研究指出,由于屏蔽电缆的老化和应力会严重退化,在涉及到需要运动的装置中(如门、侧视镜和后备箱盖)尤为如此。EMI对老化、磨损的屏蔽电缆有不利影响,使它们变得无效且带来更大风险。最严重的是,由于屏蔽电缆随时间推移而失效,电缆本身将成为EMI辐射源。vaEednc

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▲图4. 随着时间的推移,电缆屏蔽效果下降,更多的噪声将耦合到信号中,弱化信噪比vaEednc

目前EMC测试存在的问题vaEednc

目前业内的EMC测试方法集中在新型短屏蔽电缆上,没有考虑到连接电缆在现实世界中所处的条件和压力。如果EMC测试继续以这种方式进行,那么未来相关车辆将面临大规模召回,或者其他事故。vaEednc

Part 2:解决方案——MIPI A-PHY

为解决上述种种挑战,MIPI A-PHY标准于2020年发布,它支持为实现汽车的高级别自动驾驶而进行创新,并使用数字信号处理(DSP)等自适应方法实现高带宽、长连接、实时链路,还具有强大的处理EMI问题的性能。vaEednc

ValensVA7000芯片组采用的DSP完全符合MIPIA-PHY规格的芯片组包含的三个主要元素可以处理EMIvaEednc

(1)实时噪声消除(JITNC)vaEednc

一种快速、自适应的噪声消除方法,以减少EMI的影响。其对于处理窄带干扰(NBI)极为有效,这种尖锐、突发的噪音是传统车载连接解决方案难以处理的。JITNC可以消除高达36dbm的噪声。vaEednc

(2)高阶脉冲幅度调制(PAM)vaEednc

Valens芯片组可以使用PAM16工作,这是一种在同一时间段内发送更多数据的方式,支持更高的数据速率,同时保持较低载波频率,防止信号衰减和干扰。虽然一些传统的车载连接解决方案确实使用PAM4,但它仍然不能为目前的ADAS和信息娱乐系统所需的高带宽提供支持。Valens的PAM16不仅满足了如今的带宽需求,还为未来的需求留出充足空间。vaEednc

(3)动态PHY级重传vaEednc

有时环境噪声太大,数据包可能因干扰而传输失败。当这种情况发生时,MIPI A-PHY标准要求在PHY级别重新传输数据包。PHY级操作允许极快速的数据传输。由于此时引起初始故障的EMI可能还没有消散,因此动态控制的重传,会使用比最初发送时更低的PAM来进行。比如,如果原始传输是使用PAM16发送的,那么重传将以PAM8发送。这大大降低了传输再次失败的机会,这也是Valens A-PHY兼容芯片组实现行业中最低错误率的原因之一。vaEednc

Valens独一无二的UTP功能vaEednc

Valens芯片组内的DSP编码可以减轻电磁干扰带来的影响,从而可以使用非屏蔽双绞线(UTP),速度可达4Gbps,传输距离可达10米。这使得Valens芯片组具有很多优点,比如降低系统成本,系统设计和布局更加灵活,并在设计系统架构时提供更多的选择。UTP的应用是Valens芯片组的一大重大突破 。vaEednc

结论

现代汽车处于信号繁杂的环境当中,随着汽车电子设备,如ADAS组件、数字驾驶舱和汽车上的各个组件逐步丰富,设备的体积只会越来越大。过去,EMI的影响已经被证明对关键系统有非常严重的影响,曾导致多次汽车召回,甚至死亡事故。在各个领域中限制EMI的应该是首先要考虑的问题。如果整车厂的设计未充分考虑到此,将无法把ADAS、V2X通信、信息娱乐和其他领域的创新设计应用到汽车产品当中。vaEednc

(本文作者:朱玉龙,原EDN博客资深博主,原文发表于知乎,参考链接:https://www.zhihu.com/question/296032457/answer/2791502205vaEednc

责编:Demi
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