近年來，汽車逐漸向電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展，汽車內(nèi)飾設(shè)計的側(cè)重點和價值輸出也有了相對 的變化，智能化、電動化的汽車內(nèi)飾環(huán)境更為駕駛者所提倡。智能化、電動化的汽車內(nèi)飾不僅需要給駕駛者提供舒適的駕駛氛圍，同時能發(fā)展情感互動平臺，提升人性化，個性化的駕駛體驗。因此，氛圍燈在汽車內(nèi) 飾上的應(yīng)用日益增加，吸引多數(shù)駕駛者的關(guān)注和高度認可。汽車車門嵌飾背光板就是一個典型的內(nèi)飾氛圍燈應(yīng)用產(chǎn)品。

 

氛圍燈的亮度及顏色的調(diào)整及律動方案的應(yīng)用需要電源電路、通訊電路及背光電路來實現(xiàn)。電路的引入使得嵌飾背光板的設(shè)計不僅要滿足外觀美學，材料應(yīng)用等方面要求，還需要滿足電氣功能及電磁特性方面的要求，以保障其在車內(nèi)外復雜的電磁環(huán)境下工作的可靠性。

 

嵌飾背光板的傳導發(fā)射的電磁兼容性比較重要且容易失效。傳導干擾是通過電源輸入線和電纜進入系統(tǒng)。

 

電路中的大多數(shù)電磁干擾的傳播路徑問題與電路板的布局密切相關(guān)。電路板布局本質(zhì)上定義了寄生電阻、電容和電感（RLC）組件，這些組件由 PCB 跡線、PCB 間線纜引入，從而導致 EMI。背光嵌飾板需要考慮到背光的亮度及均勻性，由于嵌飾板面積較大，往往 LED 光源無法集中在一塊電路板上去覆蓋整個嵌飾板的背光。這時在產(chǎn)品里需要引入線纜來連接多塊板以便電源、信號的傳輸及背光調(diào)節(jié)的同步。但同時該線纜會降低它與參考地平面的輸出寄生阻抗，進而造成傳導干擾在頻域上的若干峰值，直接導致電磁性能的失效。

 

在汽車電子產(chǎn)品開發(fā)周期如果能早考慮傳導干擾的問題，針對此問題所能采取的整改措施就越多，成本也就越低。如果在產(chǎn)品級驗證后或者是推向市場后，再進行整改，難度和成本都很高。因此在產(chǎn)品開發(fā)階段引入電磁兼容仿真來進行性能預(yù)測，盡早發(fā)現(xiàn)問題并進行整改，能夠大大節(jié)約研發(fā)成本和開發(fā)周期。本文以某某款車門嵌飾背光板為例，詳細說明利用三維全波電磁場仿真工具CST得到線纜，印制電路板等器件及實驗環(huán)境等效模型建模方法；同時通過對敏感激勵的采樣，來定性估計其對傳導EMI的影響。最后結(jié)合場模型，激勵源進行傳導電壓法場路協(xié)同仿真，將協(xié)同仿真的計算結(jié)果與實測結(jié)果進行比較，以確定仿真對此類產(chǎn)品傳導性能預(yù)測的合理性及適用性。

 

2 汽車內(nèi)飾電子產(chǎn)品概述

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖 1 和圖 2 分別是某款汽車的車門嵌飾背光板的總成圖和爆炸圖。該背光板它包含①PVC 表皮②發(fā)泡材料③骨架④導光板⑤電路板(PCB1,PCB2)⑥后蓋⑦線束等組成部分：

 

 

圖 1 車門嵌飾背光板的總成圖

 

 

圖 2 車門嵌飾背光板的爆炸圖

 

2.2 硬件電路框圖

該嵌飾背光板包含電源電路，背光電路，通訊電路來需要實現(xiàn)氛圍燈的亮度及顏色的調(diào)整及律動方案等。兩塊電路板電路方案設(shè)計一致。通過共同的連接器連至車身。電路框圖如圖 3：

 

 

圖 3 車門嵌飾背光板的電路框圖

 

其中 U_BAT 是整車電源，電路板上降壓式開關(guān)電源芯片將整車電源轉(zhuǎn)換成 5V 電源供電給 LED 驅(qū)動芯片。LED 驅(qū)動芯片集成了 LIN 通訊功能。車身 LIN 通訊線直接連入 LED 驅(qū)動芯片。LIN 的數(shù)據(jù)幀包含間隔場，同步場，數(shù)據(jù)場和校驗和場。數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kbps。

 

兩塊電路板的電源、LIN、地線通過線纜連成統(tǒng)一的電源、LIN、地網(wǎng)絡(luò)，其中 PCB1 和 PCB2 中間線纜長度長達 1m。

 

3系統(tǒng)級傳導發(fā)射（Conducted Emission）仿真建模

根據(jù)車廠電磁兼容測試標準，針對傳導電壓法測試標準，對標實測環(huán)境，搭建預(yù)測模型，預(yù)測傳導電壓法 EMI 輻射強度值和分布趨勢。傳導電壓法用來測試電源線的差模和共模干擾。本文所涉及的傳導干擾頻率段（150kHz~108MHz）。

 

3.1 PCB 電路板關(guān)鍵電路 S 參數(shù)抽取

該背光板我們主要考慮電源網(wǎng)絡(luò)和 LIN 信號傳輸網(wǎng)絡(luò)的端口 S 參數(shù)。抽取 S 參數(shù)可以直接在矩陣中使用以顯示頻域中的反射/傳輸特性（振幅和可選的相位）。當復雜的時變信號通過線性網(wǎng)絡(luò)時，幅度和相移會顯著扭曲時域波形。利用 S 參數(shù)可以描述 PCB 上的傳輸線的阻抗及分布參數(shù)。

 

在 CST 3D 環(huán)境中，通過設(shè)置離散端口抽取各段傳輸線的 S 參數(shù)。

 

 

圖 4 PCB1 關(guān)鍵電路 S 參數(shù)提?。ň植浚?/span>

 

 

圖 5 PCB2 關(guān)鍵電路 S 參數(shù)提?。ň植浚?/span>

 

3.2 噪聲源波形提取

從電路框圖可以看出，電源信號和 LIN 信號是背光板到整車的主要信號，也是引起傳導騷擾的敏感信號。

 

通過高采樣率的示波器儀器提取 LIN 信號、開關(guān)電源芯片開關(guān)節(jié)點的 VSW 端口信號的時域數(shù)據(jù)，波形如下圖6 和圖 7。

 

 

圖 6 VSW 端口信號

 

 

圖 7 LIN 端口信號

 

由于該激勵源通過 3D 場效應(yīng)后被接收機接收，接收機將接收到的信號從時域轉(zhuǎn)化成頻域。為滿足在整個測試頻段都有該信號的頻率分量，那么要求該激勵源在采樣時間 t 內(nèi)。塊長度 N（采樣數(shù)量）需要滿足公式

 

 

 

3.3 3D 模型的建立

達索 SIMULIA 旗下的 CST 軟件是一款專注于 3D 電磁場仿真，并提供電路、熱及結(jié)構(gòu)應(yīng)力協(xié)同仿真的設(shè)計軟件。CST 提供完備的時域和頻域全波電磁算法和高頻算法，仿真的頻段從 DC 到 GHz+。在系統(tǒng)級 EMC 仿真領(lǐng)域， CST 具備仿真效率高、精度高、工程師容易上手等優(yōu)勢。借助 CST 微波工作室，我們可以將傳導發(fā)射測試的實驗環(huán)境場模型建立出來。分別由參考銅板、LISN、線纜、嵌飾板、泡沫組成。根據(jù)測試場景，嵌飾板的放置方式；電源線、地線的線徑、到 LISN 的長度及 LISN 兩端口的間距、高度；LIN 線的線徑、長度、環(huán)繞方式，泡沫的高度，銅板桌面的尺寸，都在微波工作室里等比例建模。同時賦予各個模塊對應(yīng)的材料參數(shù)。

 

 

圖 8 傳導干擾測試 3D 模型

 

在本案例中，兩塊 PCB 通過 1m 長的線纜連接。電纜的寄生阻抗會導致諧振頻率，造成傳導干擾在頻域上的若干峰值。如果諧振頻率點落在傳導干擾的測試范圍內(nèi)，那么這是導致傳導干擾失效的風險因素。因此電纜的建模非常重要。在這里，推薦用 CST 2023 cable 工作式對線纜進行建模，再借助 CST 的 cable to 3D 功能，將線纜從 cable 工作室轉(zhuǎn)換到微波工作室。Cable 工作室可以快速便捷的創(chuàng)建 cable 模型，保證仿真的精度。同時它可以對雙絞線，屏蔽線甚至是更復雜電纜的進行 3D 模型創(chuàng)建。

 

 

圖 9 線纜 3D 模型

 

由于結(jié)構(gòu)件都是塑料件，對傳導干擾沒影響。為了減少網(wǎng)格量和計算時間，在本案列中，結(jié)構(gòu)件不參與仿真。它們給 PCB 相對于參考銅板的位置，這個位置等同于測試狀態(tài)，參考圖 10。此時測試場景基本上還原在 3D 場模型中。

 

 

俯視圖

 

前視圖

圖 10 PCB 及線纜集成模型

 

采用頻域求解器對該 3D 場模型進行網(wǎng)格剖分及求解。線纜和 PCB 可以適當局部網(wǎng)格加密。仿真頻率范圍0-180MHz，銅板面邊界設(shè)置成電邊界，其余各面邊界設(shè)置成 open。

 

3.4 傳導干擾系統(tǒng)仿真模型

3.4.1 開關(guān)電源模型的建立

本案例中開關(guān)電源芯片（型號：MPQ4420AGJ），由于是集成芯片，官網(wǎng)提供的 PSPICE 模型，不具備關(guān)鍵的 EMC 噪聲參數(shù)，因此并不能作為 EMC 仿真的輸入。CST 模型庫中自帶的開關(guān)電源模型，可以對 MPQ4420 進行模擬，注意要選擇和電源芯片同一類型的電源模型。這里 MPQ4420AGJ 是同步降壓型芯片，可以選擇DCDC_Conv_Buck_Sync 這個模型作為參考來創(chuàng)建開關(guān)電源的模型。

 

 

圖 11 cst Buck 電路模型

 

開關(guān)頻率 410kHz，40%duty,輸出電壓 5V。為了使開關(guān)節(jié)點處的 VSW 仿真波形與實測波形相匹配，等效電路 中 加 入 了 寄 生 參 數(shù) ， 圖 12 是 CST 中的開關(guān)波形設(shè)置 ：

 

 

 

 

圖 12 開關(guān)波形設(shè)置

 

比對開關(guān) Vds 信號的實測和仿真信號波形，如圖 13，兩者非常接近，到此為止完成了開關(guān)電源等效模型的建立。

 

 

圖 13 Vds 測試波形（左）和仿真波形（右）

 

輸出 5V 電壓波形如圖 14：

 

圖 14 輸出 5V 電壓信號

 

3.4.2 傳導發(fā)射場路協(xié)同模型的建立

在系統(tǒng)級 EMC 仿真中，CST 提供了場路協(xié)同的仿真方法。在 3D 中創(chuàng)建的傳導發(fā)射模型，經(jīng)過 CST 頻域求解器計算，拿到 S 參數(shù)的結(jié)果。然后在 CST 的電路工作室中，把每一個端口對應(yīng)器件添加上去，包括電容、電感、電阻、MOS 管等，如圖 15 所示。為了確保模型的準確，電容、電感等器件模型，推薦使用官方提供的Spice 模型。

 

 

圖 15 傳導發(fā)射系統(tǒng)場路協(xié)同模型

 

創(chuàng)建瞬態(tài)仿真任務(wù)。如前所述，若要確定 180MHz，如前所述， LIN 信號 的采樣點數(shù)量需要滿足采樣定理要求，此處我們采樣點設(shè)置為 50 萬。

 

 

圖 16 傳導干擾仿真瞬態(tài)仿真任務(wù)設(shè)置

 

我們通過探針來獲取 LISN 模型 50ohm 電阻上耦合到的干擾電壓。將此時域信號做 EMI Receiver 處理。EMI receiver 是 CST 2023 EMC 仿真中非常重要的功能，它可以完美的模擬 CE 的測量過程，根據(jù)不同的測試頻段選擇合適的 RBW，并支持 PK， AV， QP 等不同的檢波方式。

 

 

圖 17 CST EMI 接收機設(shè)置

 

在這里根據(jù)車廠傳導干擾檢波標準，在 30M 前設(shè)置分辨率帶寬 RBW=9kHz，30M-108M 設(shè)置 RBW=120KHz。仿真得到峰值結(jié)果如圖 17：

 

 

圖 17 傳導干擾仿真結(jié)果

 

4 仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

為了探究仿真結(jié)果的正確性，針對嵌飾背光板系統(tǒng)，按照車廠傳導發(fā)射試驗標準進行測試。測試場景可參考圖 8。

 

圖 18 中，藍色線是測試 LISN+端 50ohm 電阻傳導干擾的峰值，綠色線是 LISN+端 50ohm 電阻傳導干擾平均值，紅色線是仿真出的 LISN+端 50ohm 電阻傳導干擾的峰值。

 

 

圖 18 傳導干擾仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

 

從結(jié)果可以看到，所搭建的傳導干擾仿真模型，激勵源選擇及采樣較為準確，在整個測試頻率范圍內(nèi)，仿真與實測結(jié)果貼合較好。仿真結(jié)果準確預(yù)測了傳導干擾的變化趨勢，并且在高頻處預(yù)測到了高頻諧振點。該仿真結(jié)果對測試結(jié)果有一定的借鑒指導意義。

 

5 結(jié)論

本文以達索三維全波電磁仿真工具 CST 為載體，針對汽車內(nèi)飾車門嵌飾背光板傳導干擾電壓法仿真預(yù)測問題，在電磁仿真預(yù)測體系中，建立了包含干擾源、耦合路徑、接收機三要素的電磁仿真數(shù)學模型。通過場路協(xié)同方法，探究了傳導干擾的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比，該仿真方法能準確預(yù)測傳導干擾的變化趨勢，預(yù)測到高頻諧振點。是一種有實用價值的傳導發(fā)射電磁兼容性能預(yù)測和評估的方法。

 

仿真和預(yù)測還存在一定的差距。在后續(xù)的電磁仿真的研究上，實驗驗證無源器件的電磁特性；等效模型代入芯片及其外圍電路，通訊信號采用編程的信源碼等等都會一定程度上提升仿真的效率及精度。這些對模型及激勵源的完善措施需要深厚的微波、電路、數(shù)學和物理學等理論基礎(chǔ)以及豐富的工程實踐經(jīng)驗，需要工程技術(shù)人員的深度合作和攜手并進。

 

資料來源：達索官方