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EMC模擬克服ECU驗證挑戰

上網時間: 2013年08月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EMC  模擬  ECU  Saber  CST Studio Suite 

作者:Stefan Heimburger、Andreas Barchanski與Thorsten Gerke

愛迪生(Thomas Edison)也許會感到很高興,但對於汽車產品開發部門來說,電氣化功能不斷增多的汽車平台面臨著所有各種新的EMC驗證挑戰。受到數量不斷增加的電子功能(如用於油電混合車或純電力驅動的驅動系統、駕駛輔助系統、消費電子產品中的先進功能)驅動,汽車平台的電氣化意味著設計部門必須在完整的工作範圍內驗證每個系統的電磁相容性(EMC),確保它們完全符合要求的品質和安全標準。特別是專用元件或嵌入式控制單元(ECU)的雜訊輻射可能會負面影響汽車的網路或其它元件。

由歐盟架構指令2007/46/EC確定的EMC規格或ECE-R10規則都對詳細驗證提出了要求。驗證測試覆蓋高達2GHz或以上的頻率範圍。使事情更為複雜的是,汽車製造商經常對系統設計提出額外的EMC限制條件。判斷並解決由EMC問題引起的設計故障可能要耗費很多的資源,並增加成本高昂的設計迴圈。通常碰到ECU特殊建置問題時要求回答以下這些問題:是否必須使用接腳或只需使用普通電路板?需要部署哪些高頻濾波器?ECU內部的控制單元結構和元件位置如何?以窄頻還是寬頻的方式分析雜訊輻射?

在極端情況下,可能有必要修改實體設計、ECU架構或濾波器單元。實現這些改變可能成本很高,而且需要額外的開發時間,從而為原本作好生產準備的平台增添風險。根本性的改變甚至會延遲產品的發佈。為了盡可能降低與這些問題有關的風險,早期檢測十分重要。為了達到這個目標,設計者可以採用模擬工具開發虛擬解決方案。基於模擬的方法可讓工程師在開發過程的早期先執行對控制單元的EMC分析,甚至可在ECU用於EMC測試之前。

對於汽車中的實際ECU硬體展開EMC測試通常非常耗時。另外,很難精確地再現準確的測量條件,如溫度或元件參數漂移。由於汽車電子元件的持續小型化努力,直接測量甚至不可能進行。在這種情況下,模擬是驗證EMC性能的唯一途徑。

結合3D場模擬與系統模擬

製作模擬模型對於模擬方法的成功來說非常重要。理解可用的建模和模擬方法的優點和侷限性也很重要。模擬模型的劃分提供了研究複雜的汽車ECU系統的EMC行為的可能性。首先,ECU系統被分解成較小的元件,如電路板、插塞連接器和電纜。透過3D場模擬(3D field simulation)技術,可透過逐一分析這些元件來判斷各自的電磁性能。然後用電磁場模擬數據擷取元件的分離模型,這些模型在第二階段的系統模擬器中連接在一起。

在3D場模擬中,採用數位方法可在特定數量內解Maxwell方程式。用戶提供需要分析的幾何尺寸,如ECU功率電子產品的導線架,並定義刺激埠。場模擬器的典型輸出包括散射參數(s參數)以及電流和電場的幾何分佈。尤其是電磁場或電流分佈的可視化功能非常有用,因為它提供了一般測量無法獲得的觀察管道。另外,場數據提供的資訊可用來識別ECU實體結構內的潛在耦合路徑。典型應用包括計算電路板參考層上的返回電流分佈,來自固定電感的場耦合,外殼中的諧振產生或連接器的傳輸行為。

如果系統元件在空間上彼此隔開,不會透過輻射方式相互影響──就像透過走線連接ECU的感測器──那就不值得在3D場解算器內建模和模擬整個系統。在這種情況下,計算量和要求的模擬時間將顯著增加,並吞噬與最小精密度改進有關的好處。整合系統模擬和3D場模擬的互補優勢可以很好地解決這個問題。各個控制設備元件的精密EMC模型可以用CST Studio Suite中的3D場模擬產生,並移植到像Saber這樣的系統模擬器使用的分離模型中。這種方法可為不必對整個ECU系統進行3D模擬的ECU的EMC模擬提供完整的系統模型。設計劃分方法整合了兩種模擬模型的強項,保留了EMC元件模型的精密度和系統模型的效率與覆蓋率。另外,系統級工作支援使用其它行為模型來模擬脈寬調變(PWM)所要求的邏輯、調節和控制演算法效應。這些子系統可使用VHDL-AMS或其它描述語言進行建模。這樣,ECU系統的電磁輻射行為就能得到精確的分析。

對行為模型的需求經常超越控制子系統。Saber包含了合成的模型庫,例如設計師可能使用的功率電晶體或絕緣閘雙載子電晶體(IGBT)。這些模型可與3D場模擬產生的EMC模型整合在一起進行模擬。為了向設計師提供Saber和CST Studio Suite之間的無縫鏈接,新思科技(Synopsis)和CST共同開發了一種介面,實現從CST Studio Suite到Saber間幾乎無縫的模型交換(圖1)。數據交換的基礎是用於散熱參數的標準Touchstone格式。只需幾次點選就能從CST Studio Suite 導出3D場模擬結果。導出功能自動產生Saber中的系統模擬所需的所有文件。


圖1:介面工作流程圖

(下一頁:汽車應用案例)


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