電子專輯|EMC模擬克服ECU驗證挑戰(zhàn)

2016-12-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

愛迪生(Thomas Edison)也許會感到很高興,但對于汽車產(chǎn)品開發(fā)部門來說,電氣化功能不斷增多的汽車平臺面臨著所有各種新的EMC驗證挑戰(zhàn)。受到數(shù)量不斷增加的電子功能(如用于油電混合車或純電力驅(qū)動的驅(qū)動系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品中的先進功能)驅(qū)動,汽車平臺的電氣化意味著設(shè)計部門必須在完整的工作范圍內(nèi)驗證每個系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC),確保它們完全符合要求的質(zhì)量和安全標準。特別是專用組件或嵌入式控制單元(ECU)的噪聲輻射可能會負面影響汽車的網(wǎng)絡(luò)或其它組件。

由歐盟架構(gòu)指令2007/46/EC確定的EMC規(guī)格或ECE-R10規(guī)則都對詳細驗證提出了要求。驗證測試覆蓋高達2GHz或以上的頻率范圍。讓事情更為復(fù)雜的是,汽車制造商經(jīng)常對系統(tǒng)設(shè)計提出額外的EMC限制條件。判斷并解決由EMC問題引起的設(shè)計故障可能要耗費很多的資源,并增加成本高昂的設(shè)計循環(huán)。通常碰到ECU特殊配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(nèi)部的控制單元結(jié)構(gòu)和組件位置如何?以窄頻還是寬帶的方式分析噪聲輻射?

在極端情況下,可能有必要修改實體設(shè)計、ECU架構(gòu)或濾波器單元。實現(xiàn)這些改變可能成本很高,而且需要額外的開發(fā)時間,從而為原本作好生產(chǎn)準備的平臺增添風(fēng)險。根本性的改變甚至?xí)舆t產(chǎn)品的發(fā)布。為了盡可能降低與這些問題有關(guān)的風(fēng)險,早期檢測十分重要。為了達到這個目標,設(shè)計者可以采用模擬工具開發(fā)虛擬解決方案。基于仿真的方法可讓工程師在開發(fā)過程的早期先執(zhí)行對控制單元的EMC分析,甚至可在ECU用于EMC測試之前。

對于汽車中的實際ECU硬件展開EMC測試通常非常耗時。另外,很難精確地再現(xiàn)準確的測量條件,如溫度或組件參數(shù)漂移。由于汽車電子組件的持續(xù)小型化努力,直接測量甚至不可能進行。在這種情況下,仿真是驗證EMC性能的唯一途徑。

結(jié)合3D場仿真與系統(tǒng)仿真

制作仿真模型對于仿真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(yōu)點和局限性也很重要。仿真模型的劃分提供了研究復(fù)雜的汽車ECU系統(tǒng)的EMC行為的可能性。首先,ECU系統(tǒng)被分解成較小的組件,如電路板、插塞連接器和電纜。通過3D場模擬(3Dfieldsimulation)技術(shù),可通過逐一分析這些組件來判斷各自的電磁性能。然后用電磁場仿真數(shù)據(jù)擷取組件的分離模型,這些模型在第二階段的系統(tǒng)仿真器中連接在一起。

在3D場仿真中,采用數(shù)字方法可在特定數(shù)量內(nèi)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(chǎn)品的導(dǎo)線架,并定義刺激埠。場仿真器的典型輸出包括散射參數(shù)(s參數(shù))以及電流和電場的幾何分布。尤其是電磁場或電流分布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(shù)據(jù)提供的信息可用來識別ECU實體結(jié)構(gòu)內(nèi)的潛在耦合路徑。典型應(yīng)用包括計算電路板參考層上的返回電流分布,來自固定電感的場耦合,外殼中的諧振產(chǎn)生或連接器的傳輸行為。

如果系統(tǒng)組件在空間上彼此隔開,不會通過輻射方式相互影響──就像通過走線連接ECU的傳感器──那就不值得在3D場解算器內(nèi)建模和仿真整個系統(tǒng)。在這種情況下,計算量和要求的模擬時間將顯著增加,并吞噬與最小精密度改進有關(guān)的好處。整合系統(tǒng)仿真和3D場模擬的互補優(yōu)勢可以很好地解決這個問題。各個控制設(shè)備組件的精密EMC模型可以用CST Studio Suite中的3D場模擬產(chǎn)生,并移植到像Saber這樣的系統(tǒng)仿真器使用的分離模型中。這種方法可為不必對整個ECU系統(tǒng)進行3D仿真的ECU的EMC仿真提供完整的系統(tǒng)模型。設(shè)計劃分方法整合了兩種仿真模型的強項,保留了EMC組件模型的精密度和系統(tǒng)模型的效率與覆蓋率。另外,系統(tǒng)級工作支持使用其它行為模型來仿真脈寬調(diào)變(PWM)所要求的邏輯、調(diào)節(jié)和控制算法效應(yīng)。這些子系統(tǒng)可使用VHDL-AMS或其它描述語言進行建模。這樣,ECU系統(tǒng)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(jīng)常超越控制子系統(tǒng)。Saber包含了合成的模型庫,例如設(shè)計師可能使用的功率晶體管或絕緣閘雙載子晶體管(IGBT)。這些模型可與3D場仿真產(chǎn)生的EMC模型整合在一起進行模擬。為了向設(shè)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(fā)了一種接口,實現(xiàn)從CST Studio Suite到Saber間幾乎無縫的模型交換(圖1)。數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)是用于散熱參數(shù)的標準Touchstone格式。只需幾次點選就能從CST Studio Suite導(dǎo)出3D場模擬結(jié)果。導(dǎo)出功能自動產(chǎn)生Saber中的系統(tǒng)仿真所需的所有文件。

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圖1:接口工作流程圖

汽車應(yīng)用案例

汽車領(lǐng)域中部署的電子控制設(shè)備一般由機架、印刷電路板和線束組成。本文用例主要集中在博世(Bosch)開發(fā)的馬達冷卻風(fēng)扇。這種設(shè)計包含有一個‘導(dǎo)線架’,作為ECU電源架內(nèi)的導(dǎo)電軌,可以用來管理印刷電路板無法支持的大電流。為了制作用于EMC模擬的有意義和精密的模型,提供導(dǎo)線架的3D幾何描述十分重要。導(dǎo)線架包含空間上安排在控制單元內(nèi)的導(dǎo)電軌。導(dǎo)線架的這種安排導(dǎo)致無法判斷電磁場耦合的分析性。利用CST Studio Suite中的電場仿真技術(shù),可用數(shù)字方式運算耦合的電磁場。首先,使用CAD數(shù)據(jù)將3D導(dǎo)線架結(jié)構(gòu)(圖2)導(dǎo)入CST Studio Suite。CST Studio Suite支持STEP格式以及其它普遍的CAD格式。CST Studio Suite還支持直接從成熟的布局工具中導(dǎo)入印刷電路板的布局。在定義好幾何尺寸后,要在連接導(dǎo)線架的MOSFET或恢復(fù)二極管等電子組件位置分配端口。這些端口決定在Saber的系統(tǒng)仿真過程中會使用到的導(dǎo)線架電氣接口(圖3)。

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圖2:CST Studio Suite中ECU導(dǎo)線架的CAD模型

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圖3:為Saber模型導(dǎo)出重新配置導(dǎo)線架模型

一旦定義好幾何尺寸和埠后,就可以展開模型仿真了。仿真會產(chǎn)生電磁場數(shù)據(jù)和散射參數(shù)。圖3顯示了CST Studio Suite中的導(dǎo)線架模型和計算散射參數(shù)所需的埠。在本例中,ECU機架作為埠的參考鏈路。在模擬完成后,CST Studio Suit會自動導(dǎo)出散射參數(shù)和其它支持檔案至Saber。ECU系統(tǒng)仿真中要求的其它組件可以重復(fù)這個過程。

隨后根據(jù)實際測量裝置在Saber中建立完整的ECU系統(tǒng)模型,包括一個電池、一個網(wǎng)絡(luò)模型、走線和實際控制設(shè)備。高質(zhì)量的仿真需要高精確的模型,包括安裝在電路板上的組件和控制設(shè)備的寄生參數(shù)。例如,精確的電容器模型需要電容器值以及寄生電阻和電感。將相同的建模精密度應(yīng)用于所有其它組件,如電感、二極管或MOSFET。板級導(dǎo)體也用寄生電阻和電感描述。圖4顯示了用于Saber中EMC仿真的部份ECU系統(tǒng)模型。在仿真和分析飛輪電路時應(yīng)特別注意。系統(tǒng)模型包括測試裝置、MOSFET驅(qū)動器、引擎和控制設(shè)備的電源單元。導(dǎo)線架模型已經(jīng)作為散射參數(shù)黑盒導(dǎo)入場解算器產(chǎn)生的系統(tǒng)模型,并連接完整于電路板上的功率半導(dǎo)體模型。

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圖4:用于Saber仿真的分離EMC系統(tǒng)模型

仿真突顯噪聲頻譜

通過執(zhí)行快速交流模擬和分析可以計算出傳導(dǎo)輻射。這個模型的激勵點在MOSFET的汲極和源極接腳之間。需要仿真100kHz至200MHz之間的頻率來分別確定位于100kHz至30MHz和30MHz至200MHz的調(diào)幅和調(diào)頻干擾。圖5所示圖形描述了一種系統(tǒng)仿真結(jié)果。模擬的目的是分析汽車制造商規(guī)定的諧振頻率和測試系統(tǒng)性能與電壓幅度的關(guān)系?？刂圃O(shè)備的幅度和諧振頻率可以直接從圖5讀取。

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圖5:汽車電子系統(tǒng)內(nèi)傳導(dǎo)輻射的比較

仿真分割方法增加的價值體現(xiàn)在對兩種不同EMC建模方法的結(jié)果比較上。圖5中的藍線代表對僅使用寄生電阻和電感建模的導(dǎo)線架系統(tǒng)仿真結(jié)果。紅線代表在Saber中使用從CST Studio Suit產(chǎn)生并導(dǎo)入的導(dǎo)線架散射參數(shù)字模擬型進行系統(tǒng)仿真的結(jié)果。當(dāng)使用散射參數(shù)字模擬型時,輻射在最初的調(diào)頻范圍內(nèi)衰減較為顯著,隨后在更高頻率范圍內(nèi)越來越差。相反地,使用寄生電阻和電感的簡化模型預(yù)測在100MHz后輻射有穩(wěn)定的下降。兩種方法的差異是由于導(dǎo)線架的3D幾何尺寸造成高頻EMC效應(yīng)引起的。導(dǎo)線架的散射仿真結(jié)果可用測量的數(shù)據(jù)進行驗證。

本例展示3D結(jié)構(gòu)對控制單元產(chǎn)生的噪聲輻射的影響,并討論在EMC系統(tǒng)仿真中對精確組件模型的需求。Saber和CST Studio Suit之間的接口為設(shè)計師架起了適用于產(chǎn)生高質(zhì)量模擬結(jié)果的工具間橋梁,有助于使其作出可靠的、基于模擬的設(shè)計決策。

參考原文:ComprehensiveEMCsimulationovercomesECUvalidationchallenges,by Stefan Heimburger,Andreas Barchanski,and Thorsten Gerke

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