Введение
Быстрое развитие автомобильной промышленности, создание автономных транспортных средств и систем помощи водителю (ADAS) порождает необходимость разработки специальных устройств и методик для измерения электромагнитной совместимости (ЭМС) оборудования автомобиля. С каждым годом в автомобиль устанавливается все большее количество сложных электронных устройств, которые должны работать совместно без оказания отрицательного воздействия друг на друга, а также на системы безопасности и связи автомобиля.
Увеличение количества электронных устройств в автомобильных системах повлекло за собой изменения в электронном блоке управления (ЭБУ) автомобиля, системах связи, системах передачи информации, безопасности и мультимедиа. Одним из главных аспектов при установке нового оборудования является организация электромагнитной совместимости с уже существующими системами.
Обновленные стандарты правил установки беспроводной связи в транспортных средствах требуют создания высокопроизводительных электронных систем, обладающих высокой скоростью передачи и обработки данных и, следовательно, работающих на высоких частотах. Каждая новая подсистема должна соответствовать стандартам электромагнитной совместимости и соблюдать целостность передаваемых сигналов и обрабатываемых потоков данных. Кроме того, в следствии постоянной миниатюризации электронных устройств, необходимо точно следовать установленным производственным стандартам и допускам, т.к. различия в номинальных параметрах конструкции устройства могут вызывать отклонения в режиме работы, что в свою очередь может негативно влиять на ЭМС, целостность и мощность сигнала (signal integrity and power, SI / PI).
Целостность сигнала
Исторически, одним из ключевых этапов проектирования и разработки новых систем является проведение исследований на целостность сигнала (SI). В связи с постоянно растущей потребностью в более высокой пропускной способности системы и уменьшении времени задержки, вызванной вычислениями на удаленных серверах, заказчики все чаще требуют использования при разработке устройств на базе ламинированных материалов с низкими потерями, но в то же время обладающих более строгими техническими требованиями и допусками для контроля величины общего сопротивления (импеданса).
Методики проведения анализа целостности сигнала постоянно совершенствуются, комбинируя проведение анализа с помощью имитационных моделей и анализа с помощью измерительных приборов, что позволяет проводить точное исследование сигнала при прохождении через линии передачи, переходные отверстия, корпуса и разъемы. По мере возрастания сложности печатных плат, границы между анализом целостности сигнала и анализом цепей питания устройства стираются. Проблемы целостности цепей электропитания устройства часто могут проявляться именно как проблемы целостности сигнала. Выполнение анализа целостности сигнала является важным шагом для создания надежных устройств, а также для понимания и решения возможных проблем, возникающих при тестировании опытных образцов в лабораторных условиях.
Цифровые устройства ранее не имели проблем с потерей данных в линии передач, так как на низких скоростях передачи частота отклика имеет слабое влияние на сигнал. Однако, с ростом скорости передачи также растет и воздействие частоты на сигнал, что приводит к тому, что даже короткие линии могут страдать от таких эффектов, как перекрестные искажения и отражения сигнала. В таком случае характеристики цепи передачи могут быть определены на основе паразитных сопротивлений, оказывающих определяющее воздействие на линию.
Пример схемы линии передачи показан на рисунке 1. Величина общего сопротивления играет ключевую роль в данной схеме, определяя однородность линии передачи и, как следствие, качество передаваемого сигнала. В случае если линия передачи не согласована с источником сигнала и нагрузкой (приемником), т.е. их импедансы имеют разные значения, то возникают нежелательные эффекты, такие как отражение сигнала, что в свою очередь вызывает потерю энергии и ухудшение качества передачи. При высоких скоростях передачи данных это может привести к нежелательным выбросам или спадам, а также изменить форму сигнала на ступенчатую, что, как следствие, может привести к сбоям в работе системы.
Несоответствие величин импеданса можно побороть посредством параллельного согласования линии передачи данных с источником сигнала при помощи шунтирующего резистора (рисунок 2) или с помощью RC- фильтра, позволяющего, однако, согласовать сигналы только при высокой частоте передачи.
Другим фактором, влияющим на качество передачи сигнала при высокой частоте, являются потери в линии передачи, которые не позволяют приемнику корректно обрабатывать информацию.
Основные причины потерь в линии передачи как правило связаны с материалом проводника или подложки печатной платы:
■ Диэлектрическая абсорбция (Dielectric absorption): высокочастотные сигналы возбуждают молекулы в изоляции, снижая уровень сигнала. Диэлектрическая абсорбция – это характеристика присущая материалу печатной платы.
■ Скин-эффект (Skin effect): распространение тока по поверхности проводника способствует возникновению явления самоиндукции. В свою очередь уменьшение толщины проводящего слоя вызывает увеличение сопротивления и, следовательно, затухание сигнала (рисунок 3). Плотность переменного тока J по мере проникновения в глубь проводника изменяется по экспоненциальному закону, а величина, характеризующая глубину проникновения тока или толщина скин-слоя ( ) определяется по формуле:
На данный момент наиболее популярным типом микросхем для применения в автомобилестроении являются КМОП-микросхемы из-за их высокой скорости переключения и очень низких значений рассеиваемой мощности. Идеальная КМОП-микросхема потребляет (рассеивает) энергию только когда она меняет свое состояние, т.е когда происходит разряд или заряд емкостей. В целом, для КМОП-схем ток потребления составляет в среднем 10 мА, а методы ограничения выбросов ориентированы на пиковые значения напряжения и тока, а не на их среднюю величину.
Всплески тока в цепи питания микросхемы являются одним из основных источников искажения сигнала. Установка блокировочных (bypass) конденсаторов рядом с каждым контактом питания позволит частично решить данную проблему. Однако стоит также обратить внимание на емкость конденсаторов: при перезарядке конденсаторов большой емкости возникают сильные выбросы тока, кроме того они не успевают полностью перезаряжаться при высокой скорости работы схемы. В свою очередь, конденсаторы малой емкости могут обеспечивать работу схемы на высокой частоте, но в таком случае возникают проблемы быстрого разряда из-за небольшой емкости. Наилучшим решением для большинства цепей является сочетание конденсаторов разных номиналов, например, 1 мкФ и 0,01 мкФ установленных параллельно.
Одной из областей, в которой заинтересованы разработчики автомобильной электроники является AM-диапазон (от 530 кГц до 1,8 МГц). Почти каждый автомобиль оснащен радиоприемником, который имеет очень чувствительный и настраиваемый усилитель с высоким коэффициентом усиления от 500 кГц до 1,5 МГц, однако в то же время многие устройства в цепях питания используют частоты переключения в этой же полосе, что приводит к проблемам совместимости. Из-за подобных проблем, большинство устройств переводят на частоты, расположенные выше полосы AM-диапазона, как правило это частоты более 2 МГц.
Автомобильный стандарт
Автомобильная промышленность и производители автомобильных устройств стремятся следовать требованиям стандартов электромагнитной совместимости. Основные требования ЭМС следующие: электронные устройства не должны излучать сильных электромагнитных помех (ЭМП); необходимо чтобы устанавливаемые устройства были защищены от электромагнитного влияния других систем.
Как правило, на автомобилях установлено сразу несколько приемников различных систем, распределенных по внутреннему пространству автомобиля, стандарты защиты которых разработаны и определены международной электротехнической комиссией (МЭК, IEC). Международный стандарт, определяющий допустимый максимум электромагнитных помех имеет наименование CISPR 25. Цепи питания в автомобильных устройствах должны соответствовать именно этому стандарту (рисунок 4).
Автомобильные стандарты, относящиеся к электромагнитной совместимости, в основном разрабатываются организациями CISPR, ISO и SAE. CISPR и ISO являются организациями, которые разрабатывают и поддерживают стандарты для международного использования. Стандарты CISPR 25 и ISO 11452-2 составляют основу для большинства других стандартов в области ЭМС.
Стандарт CISPR 25 выдвигает требования, согласно которым, уровень электромагнитных помех должен быть как минимум на 6 дБ ниже, чем самое низкое измеренное значение сигнала. Тестирование на устойчивость к кондуктивным высокочастотным помехам проводится с использованием технологии инъекции тока (BCI) в соответствии с требованиями стандарта ISO 11452-4.
Стандарт CISPR 25 описывает ограничения и методики для измерения помех в диапазоне частот от 150 кГц до 1000 МГц. Стандарт применяется к любому электронному компоненту, предназначенному для использования на автомобилях, прицепах и прочих транспортных средствах. CISPR 25 также определяет схему для тестирования и измерения помех, излучаемых тем или иным компонентом (рисунок 5).
Если частота помехи составляет 1 ГГц или менее, антенна размещается в средней точке кабеля. Ток (напряжение, LISN), протекающий в линии измеряется при наведенной помехе. Качество сигнала в свою очередь определяется совокупностью длины линии и наведенного шума, из-за для соответствия требованиям ЭМС важно не только уменьшить уровень помех от источника, но и исключить их распространение вдоль линии передачи.
Тестирование на ЭМС
При наличии магнитного поля, катушка из проводящего материала может работать как антенна и преобразовывать магнитное поле в ток (явление электромагнитной индукции). Сокращение размера и количества витков позволит свести к минимуму индуктивное воздействие на схему. Данный эффект можно наблюдать, например, при передаче дифференциального сигнала: между передатчиком и приемником может быть образована петля, наводящая индукционные помехи на сигнал. Другой пример – это совместное использование одной и той же схемы двумя подсистемами, например, дисплей и электронный блок управления(ЭБУ).
Когда в линии передачи высокоскоростного сигнала возникает изменение характеристического сопротивления (т.е линия несогласованна), часть сигнала будет отражаться обратно, а другая продолжит свое движение. Отражение сигнала приведет к нежелательным искажениям.
Также искажения сигнала могут быть вызваны задержками в сигнальных проводниках или в «земляном» слое печатной платы. Чтобы избежать подобных явлений, необходимо исключить острые углы при разводке дорожек на печатной плате. Также для того, чтобы минимизировать отражения от компонентов, важно использовать небольшие компоненты, например, в корпусе 0402, и установить ширину дорожки, равную ширине компонента 0402.
Часто, для того чтобы решить проблемы ЭМП, стараются уменьшить скорости изменения напряжения (dv/dt) или тока (di/dt), если это возможно. В данном случае DC-DC преобразователи могут оказаться эффективнее, чем другие линейные решения. Как уже упомяналось ранее, одной из областей, которую разработчики автомобильного оборудования хотят оградить от помех, является радиодиапазон AM. Автомобили оснащены радиоприемниками в AM диапазоне, которые имеют очень чувствительный и настраиваемый усилитель с высоким коэффициентом усиления от 500 кГц до 1,5 МГц. Большинство автомобильных устройств используют частоты переключения выше этой полосы, 2 МГц и более. Если фильтра недостаточно для сдерживания помехи, ЭМП могут наводится во всей цепи.
Существует несколько способов для снижения уровня электромагнитных помех.
Тактовый генератор с расширенным спектром (SSCG - Spread Spectrum Clock Generator) – при его использовании энергия сигнала, содержащаяся в узкой полосе частот тактового генератора, распределяется по более широкой полосе, тем самым уменьшая амплитуду основной гармоники и меньших гармоник, что в свою очередь уменьшает электромагнитное излучение, создаваемое тактовым генератором. Данный эффект достигается путем модуляции тактовой частоты, что позволяет сгладить выбросы, создаваемые ЭМП.
Изменяя тактовую частоту (принудительно расширяя узкополосный сигнал), можно сократить время действия сигнала на определенной частоте, что позволит энергии не концентрироваться на одной частоте, а распределяется по другим частотам. В следствии чего, уменьшается амплитуда выбросов.
SSCG обеспечивает электромагнитную совместимость и является лучшим решением для снижения электромагнитных помех, так как позволяет сохранить целостность тактового сигнала и может охватывать широкий диапазон частот. По сравнению с традиционными методами, основанными на использовании пассивных компонентов, таких как ферритовые фильтры, радиочастотные катушки для подавления электромагнитных помех, SSCG использует микросхему с активными компонентами для уменьшения помех с помощью частотной модуляции (рисунок 6).
Цепи питания
Различные электронные устройства, устанавливаемые на транспортные средства, имеют разные источники питания. Управление цепями питания происходит при помощи различных коммутационных схем. Которые, однако, также являются источниками помех. Если нет возможности увеличить частоту переключения, приходится искать другие методы подавления помех.
DC-DC преобразователи, устанавливаемые в автомобильных системах, имеют частоту коммутации 2 МГц, за исключением некоторых устройств. Таким образом, в AM -частотном диапазоне (от 530 кГц до 1,8 МГц) практически нет проблем, связанных с ЭМП, поскольку он находится ниже 2 МГц, но появляется необходимость в подавлении помех на частоте выше 2 МГц. В частности, помехи на высокой частоте, выше 30 МГц требуют особого внимания, так как они влияют на функционал автомобильных систем. Схема понижающего DC-DC преобразователя показана на рисунке 7.
Паразитная индуктивность контура создает колебания напряжения и, следовательно, помехи. Чтобы сгладить колебания напряжения, необходимо уменьшить паразитные индуктивности и повысить скорость отклика схемы. Данные методы подавления помех применяются не только в транспортной сфере, они также могут использоваться в другом промышленном оборудовании (рисунки 8 и 9).
Вариантом подавления помех на частоте до 20 МГц является использование специальных экранов. Для подавления же помех на частоте 20 МГц или выше можно установить синфазный дроссель (CMCC) в непосредственной близости с разъемом питания или использовать фильтр низких частот (ФНЧ) также установив его рядом с разъемом (рисунок 10).
Заключение
С каждым годом управление и работа автомобиля все больше зависит от электронных систем: системы помощи водителю (ADAS), автопилот и многое другое, все это требует безошибочной работы и при этом не должно создавать проблем для других систем автомобиля. Разработка и реализация надежных систем, которые не будут создавать электромагнитных помех и влиять на работу других устройств стало возможным благодаря правильному подбору электронных компонентов, материалов проводников и исследования печатных плат.