1.2.4 整車控制器EMC問題

隨著智能駕駛車輛和無人車輛的發展，汽車電子電氣架構正在發生變化，兩輪和四輪分布式驅動車輛、四輪轂驅動純電動汽車、混合動力汽車，甚至集中電驅動車輛的整車控制器采集和處理的信息不斷增加，對整車控制器和中央控制器提出了更高的通信帶寬和速率要求。以太網將逐漸代替其他大部分總線，圖1-6所示車載域控制網絡架構是一種主干網絡采用以太網、子系統網絡采用以太網或傳統車載網絡的混合網絡結構。隨著以太網及域控制的發展，整車控制器硬件電路發生了變革，在傳統基于CAN總線通信的基礎上增加了以太網通信電路。車載以太網采用兩線制雙絞線，速率高，會帶來新的電磁兼容問題。因此，一方面需要考慮整車控制器PCB的電源完整性與信號完整性，另一方面需要考慮以太網的電磁發射問題和電磁敏感性問題。此外，還需要考慮以太網整車控制器的電磁抗擾度問題。整車控制器所處的電磁環境較為惡劣，不僅面臨著雨水、振動等機械環境問題，還需要抵抗電機驅動系統、高低壓DC-DC變換器等高壓部件工作引起的傳導騷擾與輻射騷擾的影響。車載以太網的EMC問題主要是電磁敏感性、抗擾度以及ESD問題。

整車控制器的電磁兼容相關問題主要包括PCB板級的電源完整性、信號完整性、電磁發射以及電磁抗擾度。一方面，隨著整車控制器采集和處理信號的增多，以及以太網的應用，對芯片速率提出了更高的要求，導致嚴重的開關噪聲，對整車控制器的電源分配網絡設計提出了挑戰。另一方面，高速的以太網信號在阻抗不匹配的情況下很容易發生反射，從而產生振鈴、共模噪聲等一系列信號完整性問題，嚴重時影響信號識別；另外，由于以太網具有較高的速率，會通過電磁場的空間耦合對鄰近的信號線產生串擾干擾。

（1）電源完整性

電源分配網絡（Power Distribution Network，PDN）的性能直接影響諸如系統可靠性、信噪比與誤碼率等系統性能，以及EMC性能。板級電源通道阻抗過高和同步開關噪聲（Simultaneous Switch Noise，SSN）過大都會帶來嚴重的電源完整性問題（如同步開關噪聲導致的參考電平誤差、直流電壓降過大、發熱等），會對器件及系統工作穩定性帶來致命的影響，嚴重的PDN設計缺陷還將導致在阻抗較高的諧振點形成電磁輻射和傳導騷擾。電源完整性（Power Integrity，PI）設計就是通過合理的平面電容、分立去耦電容、平面分割以及電磁帶隙結構（Electrical Bandage Gap，EBG）應用降低板級PDN阻抗，確保滿足芯片供電需求，控制同步開關噪聲，降低電磁干擾發射。

在以往的研究中，降低PDN阻抗的方法有很多，包括去耦電容、平面結構以及嵌入式電容器。在實際應用中，主要方法是添加去耦電容，為了在足夠帶寬具有去耦效果，去耦電容包括芯片級、封裝級以及板級去耦電容。平面去耦法在幾百兆赫茲至1GHz范圍內有很好的去耦作用，但在中低頻與高頻去耦并不適用，反而會增加PDN的噪聲耦合。因此在平面去耦法的基礎上，還需要使用去耦電容協助降低PDN阻抗。相比電源平面、嵌入式電容器以及EBG，去耦電容法是最具靈活性的PCB電源分配網絡低阻抗解決方案。

去耦電容的容值、封裝、數量的選擇方式與電容器的安裝位置是研究重點。在去耦電容的自諧振點以上頻段，電容的位置尤為關鍵。Jun Fan等人對多層PCB中貼片電容與電源/地平面的連接距離對PDN的影響進行了建模分析。去耦電容的快速優化算法也是研究熱點。Kai-Bin Wu等人采用了遺傳算法計算去耦電容的最優布局、容值以及數量，提高了去耦電容選用的精確度。Krishna Bharath等人使用了遺傳算法結合基于多層有限差分方法的高效PDN模擬器，實現了多層PCB的去耦電容優化。結合基于目標阻抗的設計方法，將混合遺傳算法應用于PDN去耦電容網絡設計，對所需去耦電容的種類和數目進行優化計算。除了單芯片電源完整性研究外，還有學者對多芯片多輸入PDN進行了建模與去耦設計。通過對多端口網絡的理論推導，精確捕捉PDN電流分布特性，提出了一種適用于多芯片多輸入PDN分布式建模方法和復雜PDN整板去耦方案。在滿足PDN設計要求的前提下，篩選出使用去耦電容個數最少的組合以及最優目標阻抗。使用優化的頻域目標阻抗法，針對多芯片的電源分配網絡模型，給出去耦電容種類和數目的選取方案。除了保持PDN低阻抗外，提高PDN質量的方法還有使用EBG隔離噪聲，但實際應用的成本較高，而且這種方法更適用于幾吉赫茲及以上系統的電源分配網絡優化，在整車控制器中的應用收益較小。

（2）信號完整性

信號完整性問題包括信號的反射、串擾、延時，是高速信號面臨的問題。整車控制器中晶振信號的反射可能導致信號誤判、二次觸發，嚴重的反射與串擾現象可能導致噪聲振蕩，在PCB中阻抗較高的地方形成電磁輻射。

傳統的整車控制器通信速率較低，信號完整性的問題不明顯。在引進以太網之后，速率較高的車載以太網信號在傳輸過程中可能產生反射或對鄰近信號線產生串擾。以太網為差分走線結構，在PCB中，當差分信號的走線結構出現不對稱時，將產生共模電流。共模電流通常是電路產生傳導干擾和輻射干擾的重要來源，隨著整車控制器中CAN總線、以太網等差分信號的速率不斷提高，共模電流的電磁輻射也會比以往的VCU電路板大得多。

因此，在以太網的走線設計方面，應特別注意差分線的對稱設計。若PCB上的以太網差分對走線設計不合理，極易產生串擾和反射現象，如圖1-7所示。C. Paul等人研究了差分傳輸線的耦合特性，提出差分線過孔是導致電路不對稱的主要原因。Xiaomin Duan等人提出差分信號在PCB插接器引腳走線的不對稱，會產生共模干擾信號。通常PCB不對稱結構是無法避免的，但可以通過端接或改善走線的措施減小差分走線的不對稱性與阻抗突變。陳建華等人采用π形端接與T形端接的方法，抑制差分電路結構不對稱產生的共模電流，提出差分信號共模噪聲是由頻率、環路面積、導線長度、介質厚度、介電常數、差分電流、共模電流共同作用的結果。Wei-Da Guo等人提出了一種平面螺旋走線方案，以減小差分走線的不對稱性。Celina Gazda等人通過緊密耦合差分微帶線的方法，提出寬頻帶上抑制共模噪聲的方案。除了改善差分走線的結構外，還有學者通過在差分走線轉彎處采取安裝電容或電感等補償措施，以抑制共模噪聲。還有研究人員利用差分信號設計濾波器，得到良好的共模抑制比。

（3）電磁輻射

PCB上的走線在共模干擾源和差模干擾源作用下，有可能等效成為一個有效的發送/接收天線。因此，不恰當的布局布線有可能顯著地增加PCB的電磁輻射。PCB上的共模干擾電流和差模干擾電流可以通過整車控制器外部的電源線和信號線，對外形成電磁輻射。另外，整車控制器殼體的縫隙和線束插接器也可能泄漏電磁場，形成輻射。這些電磁輻射都有可能使整車控制器的輻射發射不能滿足EMC標準限值要求，甚至干擾車載和車外無線電接收設備。

（4）電磁抗擾度問題

GB/T 21437.2—2008《道路車輛 由傳導和耦合引起的電騷擾 第2部分：沿電源線的電瞬態傳導》和GB/T 21437.3—2012《道路車輛 由傳導和耦合引起的電騷擾 第3部分：除電源線外的導線通過容性和感性耦合的電瞬態發射》規定了車載零部件對電源線和除電源線外的導線電瞬態干擾的抗擾度要求。GB/T 19951—2005《道路車輛 靜電放電產生的電騷擾試驗方法》規定了靜電放電的等級。關于車載部件抗擾度的標準還包括GB/T 33012.4—2016《道路車輛 車輛對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法 第4部分：大電流注入法》和GB/T 33012.2—2016 《道路車輛 車輛對窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗方法 第2部分：車外輻射源法》。此外，在電路設計階段，需要考慮抗雷擊、抗浪涌的措施。

依據標準要求，需要對整車控制器進行電磁抗擾度設計和試驗驗證。整車控制器低壓電源系統應進行過電壓、反向過電壓、浪涌電流以及瞬變電壓脈沖抑制的設計。車載控制器通常采用防反接二極管、熱敏電阻、瞬態二極管、共模扼流圈、π形濾波器、電容等組成抗干擾硬件電路。

本書重點陳述基于以太網的整車控制器的功能與結構、硬件電磁兼容設計，包括電磁發射和電磁敏感性設計；電源分配網絡（PDN）等效電路建模及去耦電容優化方法；基于以太網的PCB信號完整性建模分析；PCB電磁發射，以及以太網整車控制器的電源線傳導騷擾抑制方法。