1.2.4 整车控制器EMC问题

随着智能驾驶车辆和无人车辆的发展，汽车电子电气架构正在发生变化，两轮和四轮分布式驱动车辆、四轮毂驱动纯电动汽车、混合动力汽车，甚至集中电驱动车辆的整车控制器采集和处理的信息不断增加，对整车控制器和中央控制器提出了更高的通信带宽和速率要求。以太网将逐渐代替其他大部分总线，图1-6所示车载域控制网络架构是一种主干网络采用以太网、子系统网络采用以太网或传统车载网络的混合网络结构。随着以太网及域控制的发展，整车控制器硬件电路发生了变革，在传统基于CAN总线通信的基础上增加了以太网通信电路。车载以太网采用两线制双绞线，速率高，会带来新的电磁兼容问题。因此，一方面需要考虑整车控制器PCB的电源完整性与信号完整性，另一方面需要考虑以太网的电磁发射问题和电磁敏感性问题。此外，还需要考虑以太网整车控制器的电磁抗扰度问题。整车控制器所处的电磁环境较为恶劣，不仅面临着雨水、振动等机械环境问题，还需要抵抗电机驱动系统、高低压DC-DC变换器等高压部件工作引起的传导骚扰与辐射骚扰的影响。车载以太网的EMC问题主要是电磁敏感性、抗扰度以及ESD问题。

整车控制器的电磁兼容相关问题主要包括PCB板级的电源完整性、信号完整性、电磁发射以及电磁抗扰度。一方面，随着整车控制器采集和处理信号的增多，以及以太网的应用，对芯片速率提出了更高的要求，导致严重的开关噪声，对整车控制器的电源分配网络设计提出了挑战。另一方面，高速的以太网信号在阻抗不匹配的情况下很容易发生反射，从而产生振铃、共模噪声等一系列信号完整性问题，严重时影响信号识别；另外，由于以太网具有较高的速率，会通过电磁场的空间耦合对邻近的信号线产生串扰干扰。

（1）电源完整性

电源分配网络（Power Distribution Network，PDN）的性能直接影响诸如系统可靠性、信噪比与误码率等系统性能，以及EMC性能。板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声（Simultaneous Switch Noise，SSN）过大都会带来严重的电源完整性问题（如同步开关噪声导致的参考电平误差、直流电压降过大、发热等），会对器件及系统工作稳定性带来致命的影响，严重的PDN设计缺陷还将导致在阻抗较高的谐振点形成电磁辐射和传导骚扰。电源完整性（Power Integrity，PI）设计就是通过合理的平面电容、分立去耦电容、平面分割以及电磁带隙结构（Electrical Bandage Gap，EBG）应用降低板级PDN阻抗，确保满足芯片供电需求，控制同步开关噪声，降低电磁干扰发射。

在以往的研究中，降低PDN阻抗的方法有很多，包括去耦电容、平面结构以及嵌入式电容器。在实际应用中，主要方法是添加去耦电容，为了在足够带宽具有去耦效果，去耦电容包括芯片级、封装级以及板级去耦电容。平面去耦法在几百兆赫兹至1GHz范围内有很好的去耦作用，但在中低频与高频去耦并不适用，反而会增加PDN的噪声耦合。因此在平面去耦法的基础上，还需要使用去耦电容协助降低PDN阻抗。相比电源平面、嵌入式电容器以及EBG，去耦电容法是最具灵活性的PCB电源分配网络低阻抗解决方案。

去耦电容的容值、封装、数量的选择方式与电容器的安装位置是研究重点。在去耦电容的自谐振点以上频段，电容的位置尤为关键。Jun Fan等人对多层PCB中贴片电容与电源/地平面的连接距离对PDN的影响进行了建模分析。去耦电容的快速优化算法也是研究热点。Kai-Bin Wu等人采用了遗传算法计算去耦电容的最优布局、容值以及数量，提高了去耦电容选用的精确度。Krishna Bharath等人使用了遗传算法结合基于多层有限差分方法的高效PDN模拟器，实现了多层PCB的去耦电容优化。结合基于目标阻抗的设计方法，将混合遗传算法应用于PDN去耦电容网络设计，对所需去耦电容的种类和数目进行优化计算。除了单芯片电源完整性研究外，还有学者对多芯片多输入PDN进行了建模与去耦设计。通过对多端口网络的理论推导，精确捕捉PDN电流分布特性，提出了一种适用于多芯片多输入PDN分布式建模方法和复杂PDN整板去耦方案。在满足PDN设计要求的前提下，筛选出使用去耦电容个数最少的组合以及最优目标阻抗。使用优化的频域目标阻抗法，针对多芯片的电源分配网络模型，给出去耦电容种类和数目的选取方案。除了保持PDN低阻抗外，提高PDN质量的方法还有使用EBG隔离噪声，但实际应用的成本较高，而且这种方法更适用于几吉赫兹及以上系统的电源分配网络优化，在整车控制器中的应用收益较小。

（2）信号完整性

信号完整性问题包括信号的反射、串扰、延时，是高速信号面临的问题。整车控制器中晶振信号的反射可能导致信号误判、二次触发，严重的反射与串扰现象可能导致噪声振荡，在PCB中阻抗较高的地方形成电磁辐射。

传统的整车控制器通信速率较低，信号完整性的问题不明显。在引进以太网之后，速率较高的车载以太网信号在传输过程中可能产生反射或对邻近信号线产生串扰。以太网为差分走线结构，在PCB中，当差分信号的走线结构出现不对称时，将产生共模电流。共模电流通常是电路产生传导干扰和辐射干扰的重要来源，随着整车控制器中CAN总线、以太网等差分信号的速率不断提高，共模电流的电磁辐射也会比以往的VCU电路板大得多。

因此，在以太网的走线设计方面，应特别注意差分线的对称设计。若PCB上的以太网差分对走线设计不合理，极易产生串扰和反射现象，如图1-7所示。C. Paul等人研究了差分传输线的耦合特性，提出差分线过孔是导致电路不对称的主要原因。Xiaomin Duan等人提出差分信号在PCB插接器引脚走线的不对称，会产生共模干扰信号。通常PCB不对称结构是无法避免的，但可以通过端接或改善走线的措施减小差分走线的不对称性与阻抗突变。陈建华等人采用π形端接与T形端接的方法，抑制差分电路结构不对称产生的共模电流，提出差分信号共模噪声是由频率、环路面积、导线长度、介质厚度、介电常数、差分电流、共模电流共同作用的结果。Wei-Da Guo等人提出了一种平面螺旋走线方案，以减小差分走线的不对称性。Celina Gazda等人通过紧密耦合差分微带线的方法，提出宽频带上抑制共模噪声的方案。除了改善差分走线的结构外，还有学者通过在差分走线转弯处采取安装电容或电感等补偿措施，以抑制共模噪声。还有研究人员利用差分信号设计滤波器，得到良好的共模抑制比。

（3）电磁辐射

PCB上的走线在共模干扰源和差模干扰源作用下，有可能等效成为一个有效的发送/接收天线。因此，不恰当的布局布线有可能显著地增加PCB的电磁辐射。PCB上的共模干扰电流和差模干扰电流可以通过整车控制器外部的电源线和信号线，对外形成电磁辐射。另外，整车控制器壳体的缝隙和线束插接器也可能泄漏电磁场，形成辐射。这些电磁辐射都有可能使整车控制器的辐射发射不能满足EMC标准限值要求，甚至干扰车载和车外无线电接收设备。

（4）电磁抗扰度问题

GB/T 21437.2—2008《道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第2部分：沿电源线的电瞬态传导》和GB/T 21437.3—2012《道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第3部分：除电源线外的导线通过容性和感性耦合的电瞬态发射》规定了车载零部件对电源线和除电源线外的导线电瞬态干扰的抗扰度要求。GB/T 19951—2005《道路车辆 静电放电产生的电骚扰试验方法》规定了静电放电的等级。关于车载部件抗扰度的标准还包括GB/T 33012.4—2016《道路车辆 车辆对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法 第4部分：大电流注入法》和GB/T 33012.2—2016 《道路车辆 车辆对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法 第2部分：车外辐射源法》。此外，在电路设计阶段，需要考虑抗雷击、抗浪涌的措施。

依据标准要求，需要对整车控制器进行电磁抗扰度设计和试验验证。整车控制器低压电源系统应进行过电压、反向过电压、浪涌电流以及瞬变电压脉冲抑制的设计。车载控制器通常采用防反接二极管、热敏电阻、瞬态二极管、共模扼流圈、π形滤波器、电容等组成抗干扰硬件电路。

本书重点陈述基于以太网的整车控制器的功能与结构、硬件电磁兼容设计，包括电磁发射和电磁敏感性设计；电源分配网络（PDN）等效电路建模及去耦电容优化方法；基于以太网的PCB信号完整性建模分析；PCB电磁发射，以及以太网整车控制器的电源线传导骚扰抑制方法。