汽车电容感应的电子系统兼容性测试 兼容性, 汽车, 电子, 产品

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产品的电子系统兼容性需要接受电磁兼容性 (EMC) 测试。电子产品在特定地区销售和使用前必须通过一系列特定的测试。汽车电子系统有专门的EMC测试，这是因为电子子系统需要在其他产生噪声的电气设备附近正常运行。汽车环境中的振动和温度范围也需要进行由AEC-Q100等独立芯片级别认证流程定义的附加认证。
EMC是电子系统在不对其他电子系统的性能产生负面影响的条件下正常运行的能力。ISO和 IEC兼容性技术规范包括辐射 (通过空气传输)和传导(通过线束)测试。每项测试涵盖了电子子系统的发射 (从系统向外放射) 和抗扰 (影响被测子系统的外部来源) 能力。
因此，共有以下四种不同的EMC测试，并且每种测试对应不同的EMC测试标准：
1. 传导抗扰测试 (ISO11452-4)
2. 辐射抗扰测试 (ISO 11452-2)
3. 传导发射测试 (CISPR25)
4. 辐射发射测试 (CISPR25)
实际上，还有第五项测试，称为静电放电 (ESD) 测试，也常常与上述EMC测试一起讨论。但这项测试与其他测试存在明显的区别——该测试使用静电发射枪将静电荷注入子系统中以测量其抗扰性。本文将深入探讨前四项EMC测试。
下面，我们将以电容传感应用为例，更详细地探讨EMC测试。此外，本文还将介绍各地区汽车制造商 (比如丰田、宝马、大众等) 规定的一些自定义EMC测试。我们还将介绍设计兼容汽车环境的电子系统时的一些系统层面的内容以及业内进行EMC测试时所遇到的挑战。
故障级别一览
EMC测试是为了评估被测系统以及周围的其他系统是否能够在噪声环境中正常运行。汽车环境中的一些EMC故障症状如下：
1. 车辆启动时的非关键电子设备故障 (例如：车载娱乐系统、电动车窗控制、车内照明等)
2. 发动机控制单元 (ECU) 或制动系统等关键电子设备因负载突降过程中的功率激增而发生故障
3. 汽车车载娱乐系统的声音输出如同发动机或起动电机启动时的声音
4. 汽车跳线跨接启动过程中对电路造成的永久性破坏
5. 电子系统因电气干扰而出现错误和意外重启
汽车制造商通过故障分级确认了上述症状的严重性。故障分级的典型例子见表1。


必须注意的是，严重程度并不代表故障的重要程度。所有系统，无论是关键系统还是非关键系统，都可能发生上述类别中的任何故障。但ECU、制动控制、安全气囊控制、动力传动系统等关键系统的故障接受程度不同。这些系统不得出现任何故障，即便是级别5的故障也不例外。多媒体、车载娱乐系统、电动车窗等非关键系统的接受程度往往较低。根据故障对系统的整体影响，部分级别4和级别5的故障通常可以接受。接受程度由制造商根据故障对汽车各子系统可能造成的结果以及解决非关键问题的成本决定。
汽车集成电路的认证
所有电子部件，尤其是用于汽车嵌入式系统的半导体集成电路必须能够在苛刻的汽车环境中正常运行。AEC-Q100等设备标准由汽车电子委员会制定，是半导体制造商车用设备认证的指导文件。
下面列出了在AEC-Q100认证中测试的部分集成电路主要参数：
1. 零件工作温度试验 (一般情况下最高125℃)
2. 加速寿命试验
3. 压力试验
4. 焊线和焊锡球抗剪试验
5. 人体模型 (HBM) ESD试验和 闩锁试验
6. 非易失性存储器耐久试验
7. 短路可靠性鉴定
由于汽车系统对电子部件的可靠性有严格的要求，因此系统设计师必须选择经过AEC-Q100认证的集成电路。鉴于所涉及的复杂性，建议联系制造商获得本文未涵盖的有关AEC-Q100认证部件的具体信息。制造商还会为产品提供详细的文件与应用支持，以便通过汽车EMC测试。
系统层面的EMC测试方法
EMC实验能够定量测试被测系统是否适合用于汽车。该系统还必须在运行过程中足够“安静”，从而不干扰周围的其他设备。在稳健性或抗扰测试中，通过线束(传导抗扰) 或射频天线 (辐射抗扰) 将外部噪声注入。在注入噪声的过程中，观察系统的运行。注入不同频率的噪声，根据标准规范中的规定控制噪声的强度。
为了定量测试被测系统的传导抗扰性，需按照频谱强度将线束上的噪声电压频谱绘制成图表。在辐射抗扰测试中，通过位于标准规范规定距离的相应射频天线获得噪声频谱。无论是哪种情况，频谱必须低于规范中规定的合格限值。表2列出了部分通用的汽车EMC规范。


此外，汽车制造商常常会制定自己的规范，其中大部分比通用标准更加严格。表3列举了部分车厂自定的汽车EMC标准。


传导抗扰测试
汽车环境的传导抗扰测试在所有EMC测试中最为严格，因此，要通过抗扰测试的难度最大。在传导抗扰测试中，通过线束将噪声注入系统。系统必须能在噪声环境中正常运行。


图1是用于控制乘用车暖通空调控制单元的电容传感用户界面 —— 赛普拉斯PSoC系统。在ISO11452-4 EMC标准测试中，射频噪声发生器通过射频耦合钳将噪声注入被测系统的电源线束中。噪声的频率范围是1MHz 至 400 MHz，强度是射频耦合钳中的200mA回路电流 。见图2。


例如，赛普拉斯CapSense界面等电容传感界面已代替了许多汽车用户界面中的机械按钮。可根据是否出现以下故障判断电容触摸传感系统的功能是否正常：
1. 未出现错误的触摸，即在人未触摸输入传感器时，系统不会检测到触摸输入
2. 未出现触摸灵敏度下降，即用户无需用力触碰输入传感器，系统就能感应到触摸输入
3. 未出现卡住现象，即在用户停止触摸输入后，系统不应卡在探测到触摸的状态
4. 系统在EMC噪声注入时不得出现间歇性的重启。
为了通过传导抗扰测试，在设计系统时必须小心谨慎，包括电压调节器电路的设计以及瞬变电压抑制 (TVS) 二极管等电路保护元件的使用。尤其是通过12伏汽车蓄电池为子系统提供稳定电压的低纹波汽车电源的设计对于产品的合规性至关重要。图3显示的是ISO11452-4 测试中电源导轨的输出电压纹波，蓝色表示非汽车电源电路Rev1电路板，红色表示精心设计的汽车电源 Rev2电路板。