泊車輔助系統(tǒng)控制器輻射發(fā)射測試失效分析

【歡迎引用】 孫志穎， 武曉宇， 付國良. 泊車輔助系統(tǒng)控制器輻射發(fā)射測試失效分析[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 SUN Z Y， WU X Y， FU G L. Analysis of Radiation Emission Test Problems of Parking Auxiliary System Controller[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】零部件輻射發(fā)射測試時(shí)泊車輔助系統(tǒng)控制器在2.625 GHz單頻點(diǎn)出現(xiàn)頻點(diǎn)超標(biāo)的問題，不符合零部件電磁兼容性（EMC）設(shè)計(jì)規(guī)范要求。為了詳細(xì)分析問題產(chǎn)生原因，通過對整個(gè)測試鏈路及印刷電路板（PCB）進(jìn)行遠(yuǎn)近場排查分析，最終定位噪聲源頭為泊車輔助系統(tǒng)控制器內(nèi)部冗余未應(yīng)用的千兆以太網(wǎng)時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)通過PCB上斷折線形成的無意天線對外輻射，從而導(dǎo)致輻射發(fā)射測試超標(biāo)。通過采用更新軟件，關(guān)閉該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，低成本解決了泊車輔助系統(tǒng)控制器輻射發(fā)射超標(biāo)問題。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；輻射發(fā)射；時(shí)鐘；諧波

中圖分類號(hào)：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240015

Analysis of Radiation Emission Test Problems of Parking Auxiliary System Controller

Sun Zhiying， Wu Xiaoyu， Fu Guoliang

（GAC Group Automotive Engineering Research Institute， Guangzhou 511434）

【Abstract】 A single frequency point of 2.625 GHz exceeded the limit when the controller of parking auxiliary system carried out radiatied emission test of components， which did not meet the requirements of electromagnetic compatibility（EMC） Specs. By checking and analyzing the near and far field of the whole test link and printed circuit board （PCB）， it is found that the source of the noise is the Ethernet clock signal on PCB， and the clock and corresponding chip arenot applied in this parking auxiliary system. The clock signal is radiated through the unintentional antenna formed by the broken line on the PCB board， resulting in the radiatied emission exceeding the limit. The reason why the radiation emission exceeded limits， and the process of discovering is described in detail， combined with theory and practice. By updating relevant software， turn off the clock driver， the problem of exceeding the limit of radiation emissied is solved at a low cost.

Key words： Electromagnetic Compatibility（EMC）， Radiatied Emission， Clock， Harmonic Waves

0 引言

隨著國家對新能源電動(dòng)汽車的持續(xù)投入，汽車智能化程度越來越高，其中智能泊車輔助系統(tǒng)是廣大消費(fèi)者購車考量的指標(biāo)之一。泊車輔助系統(tǒng)提升了用戶的使用便利和駕駛體驗(yàn)，也給整車電磁兼容（Electromagnetic Compatibility， EMC）性能開發(fā)帶來了考驗(yàn)。為了保障整車各功能的可靠實(shí)現(xiàn)，整車企業(yè)對零部件開發(fā)設(shè)計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格管控，及時(shí)定位并解決各種電磁兼容故障問題，力求滿足電磁兼容設(shè)計(jì)規(guī)范。目前，在智能泊車輔助系統(tǒng)電磁兼容故障排查和整改的研究多集中于硬件電路調(diào)整，本文分析零部件輻射發(fā)射失效的問題，為行業(yè)內(nèi)智能泊車輔助系統(tǒng)的電磁兼容故障排除提供了一種快速低成本的解決思路。

1 泊車輔助系統(tǒng)

1.1 泊車輔助系統(tǒng)

自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)主要由控制器模塊、高清攝像頭模塊、超聲波雷達(dá)模塊、動(dòng)力執(zhí)行模塊以及人機(jī)交互模塊等組成。攝像頭、雷達(dá)等傳感器在最大范圍內(nèi)對車輛周邊環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)360°掃描和覆蓋，獲取車輛周圍的各種信息，通過對傳感器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理并對感知信息融合算法進(jìn)行開發(fā)，獲取車輛行駛周邊環(huán)境的有用信息，通過對周邊路面情況的識(shí)別和檢測，將收集到的圖像數(shù)據(jù)等傳輸至控制器模塊[1-2]。本文的泊車輔助系統(tǒng)由泊車控制器和分布在車身周圍的4顆攝像頭及車輛前后的8顆雷達(dá)組成，同時(shí)可以通過CAN總線、以太網(wǎng)與車載其他電子控制器單元（Electronic Control Unit， ECU）進(jìn)行通訊及圖像傳輸，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)泊車輔助和智能泊車等功能。其系統(tǒng)原理框圖見圖1。

雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory， DDR SDRAM）為具有雙倍數(shù)據(jù)傳輸率的SDRAM，其數(shù)據(jù)傳輸速度為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率2倍，由于速度增加，其傳輸性能優(yōu)于傳統(tǒng)的SDRAM。嵌入式多媒體卡存儲(chǔ)器（Embeded Multi-Media Card， eMMC），是由MMC協(xié)會(huì)所訂立的內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格；媒體獨(dú)立接口（Medium Independent Interface， MII），支持10 Mbps和100 Mbps操作，數(shù)據(jù)位寬為4位；精簡MII（Reduced MII， RMII）是MII的簡化版，數(shù)據(jù)位寬為2位；千兆MII（Gigabit MII， GMII）支持10 Mbps、100 Mbps、1 000 Mbps的操作，數(shù)據(jù)位寬為8位；精簡GMII（Reduced GMII， RGMII）即GMII的簡化版，數(shù)據(jù)位寬為4位，1 000 Base T1為千兆車載以太網(wǎng)。

1.2 車載以太網(wǎng)技術(shù)

隨著汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，汽車上的攝像頭、雷達(dá)探頭等傳感器數(shù)量不斷增加，終端應(yīng)用場景逐漸增多，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量呈爆發(fā)式增長，同時(shí)安全性要求也極為苛刻，傳統(tǒng)的汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)已難以滿足汽車數(shù)據(jù)的傳輸需求[3]。

車載以太網(wǎng)具有傳輸速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，另外與其他總線技術(shù)相比，以太網(wǎng)可以使用非屏蔽雙絞線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，顯著的降低了整車重量和線束成本。以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，虛框表示中央處理器（Central Processing Unit， CPU），媒體訪問控制層協(xié)議（Media Access Control， MAC），MAC集成在CPU中，物理層（Physical Layer，PHY）芯片通過MII接口與CPU上的MAC連接。

MAC由硬件控制器及MAC通信協(xié)議構(gòu)成；PHY是IEEE802.3中定義的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊，MAC或CPU通過MII管理接口（MII Manage Interface，MIIM）對PHY的行為、狀態(tài)進(jìn)行管理和控制，而具體管理和控制動(dòng)作通過讀寫端口物理層（Port Physical Layer， PHY）內(nèi)部的寄存器實(shí)現(xiàn)。GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時(shí)鐘頻率為125 MHz，因此傳輸速率可達(dá)1 000 Mbps。與GMII相比，RGMII信號(hào)線減半，但發(fā)送時(shí)鐘（Transmit Clock， TXC）和接收時(shí)鐘（Receive Clock， RXC）的工作頻率仍為125 MHz。

2 泊車輔助系統(tǒng)輻射發(fā)射測試問題分析

2.1 零部件輻射發(fā)射測試方法及要求

目前零部件輻射發(fā)射測試方法參考GB/T 18655—2018《車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無線電騷擾特性用于保護(hù)車載接收機(jī)的限值和測量方法》[4]進(jìn)行臺(tái)架布置，同時(shí)各頻段發(fā)射量要滿足整車企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。GB/T 18655對不同無線電業(yè)務(wù)頻段進(jìn)行了劃分和定義，同時(shí)整車企業(yè)根據(jù)車型架構(gòu)配置及目標(biāo)市場需求給出了各頻段對應(yīng)的限值要求，確保上市的整車電磁兼容性能符合法規(guī)要求。汽車零部件輻射發(fā)射布置示意如圖3所示。

泊車輔助系統(tǒng)在進(jìn)行零部件輻射發(fā)射測試時(shí)，泊車輔助控制器應(yīng)放在高于接地參考平面（50±5） mm的絕緣支架板上。同時(shí)外殼與接地平面搭接，接地線長度小于等于150 mm。

測試線束總長度應(yīng)為（1 700+300/-0） mm，與接地參考平面前端平行的線束長度應(yīng)為（1 500±75） mm，線束彎曲半徑應(yīng)該為90°～135°，線纜應(yīng)放在高于參考平面50 mm的絕緣支架上。

攝像頭及泊車?yán)走_(dá)傳感器應(yīng)放在高于接地參考平面（50±5） mm的絕緣支架板上，外殼與接地平板保持絕緣，CAN通訊及以太網(wǎng)（僅百兆以太網(wǎng)通訊，千兆以太網(wǎng)未使用）光電轉(zhuǎn)換模塊同樣放置在絕緣支撐上，另一端的光電轉(zhuǎn)換模塊以及連接的筆記本電腦放置在暗室外。

泊車輔助系統(tǒng)供電方式為，泊車控制器電源線通過人工網(wǎng)絡(luò)（Artificial Networks， AN）后再與蓄電池連接，系統(tǒng)中的攝像頭和泊車?yán)走_(dá)傳感器由泊車控制器進(jìn)行供電。

在進(jìn)行零部件輻射發(fā)射測試時(shí)，1 GHz以下天線對準(zhǔn)線束中間，1 GHz以上天線對準(zhǔn)被測樣品，同時(shí)不同頻段需使用不同的天線，頻段與天線的對應(yīng)方式如下：單極天線頻段為：150 kHz～30 MHz；雙錐天線頻段為：30 ～200 MHz；對數(shù)周期天線頻段為：200～1 000 MHz；喇叭天線頻段為：1 000 ～6 000 MHz。

2.2 輻射發(fā)射失效現(xiàn)象及問題排查

在進(jìn)行泊車輔助系統(tǒng)零部件輻射發(fā)射測試時(shí)，在1～6 GHz頻段，測試數(shù)據(jù)存在多個(gè)頻點(diǎn)超出整車企業(yè)限值要求的情況，本文僅以2.625 GHz頻點(diǎn)進(jìn)行分析，因?yàn)榇祟l點(diǎn)超標(biāo)原因常常容易被忽視。

（1）失效現(xiàn)象：2.625 GHz平均值超出限值約6 dB，不滿足整車企業(yè)限值要求且頻譜是單根超標(biāo)，屬于典型的窄帶輻射發(fā)射問題。

（2）問題排查：對于外殼為屏蔽體的產(chǎn)品來說，輻射發(fā)射超標(biāo)，可能由以下2種原因?qū)е拢环N是產(chǎn)品外殼的屏蔽性能不完善，另一種是射頻干擾經(jīng)由電源線和信號(hào)線逸出[5]。排查輻射發(fā)射超標(biāo)的方法是可以逐步拔掉被測器件（Device Under Test， DUT）工作時(shí)不必要的線束，或者將線束長度減小至最短，只留下DUT的供電電源線，重新進(jìn)行測試，如果試驗(yàn)結(jié)果沒有任何改善，則可以考慮是產(chǎn)品外殼屏蔽性能不完善導(dǎo)致的超標(biāo)；如果試驗(yàn)結(jié)果有改善，則有可能是經(jīng)由線束發(fā)射出的干擾導(dǎo)致的超標(biāo)；如果針對以上2種原因均采取了必要措施后，試驗(yàn)結(jié)果仍沒有改善，則超標(biāo)的數(shù)據(jù)有可能是產(chǎn)品上其他連接接線纜的問題所導(dǎo)致。

根據(jù)零部件輻射發(fā)射測試失效的問題排查流程，按照背景噪聲、外圍設(shè)備、接地、外殼屏蔽等影響因素的順序，依次進(jìn)行驗(yàn)證：

（1）首先對試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)場地背景噪聲進(jìn)行排查，環(huán)境噪聲電平低于限值6 dB以上，可以排除場地對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

（2）斷開攝像頭、雷達(dá)傳感器等外圍設(shè)備的線束，只保留泊車輔助系統(tǒng)控制器的電源，并重新進(jìn)行輻射發(fā)射測試，試驗(yàn)結(jié)果不通過，可以排除外圍設(shè)備和線束導(dǎo)致輻射發(fā)射試驗(yàn)超標(biāo)的原因。

（3）在第2步的基礎(chǔ)上，對泊車控制器的外殼取消接地線后，重新進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果依舊不通過，可以排除接地的影響。

（4）在第3步的基礎(chǔ)上，對泊車控制器的外殼用銅箔加強(qiáng)屏蔽后，重新進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果通過，可以確認(rèn)在2.625 GHz頻點(diǎn)超出限值是由泊車控制器本體導(dǎo)致。

遠(yuǎn)場排查過程及結(jié)果總結(jié)，如表1所示。

通過以上步驟逐步排查，可以定位到2.625 GHz的噪聲源頭來源于泊車輔助系統(tǒng)控制器內(nèi)部，發(fā)射路徑是通過殼體縫隙對外輻射，可以排除泊車輔助系統(tǒng)中攝像頭、雷達(dá)傳感器及測試線束等這些外圍設(shè)備的影響。

近場排查：為了進(jìn)一步定位噪聲源頭，打開產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件，使用頻譜分析儀和近場探頭在印刷電路板（Printed Circuit Board， PCB）上對2.625 GHz頻點(diǎn)的噪聲源頭進(jìn)行查找，當(dāng)近場探頭移動(dòng)到圖4位置時(shí)，頻點(diǎn)為2.625 GHz處噪聲幅值最高。

同時(shí)對照PCB與原理圖發(fā)現(xiàn)，此位置是千兆以太網(wǎng)RGMII TX-CLK時(shí)鐘走線匹配電阻的位置，時(shí)鐘信號(hào)頻率為125 MHz，超標(biāo)頻點(diǎn)為時(shí)鐘信號(hào)頻率的21次諧波，為2 625 MHz。

3.3 輻射發(fā)射測試失效原因分析

在上一步近場排查時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致本次輻射發(fā)射測試超標(biāo)的原因是千兆以太網(wǎng)時(shí)鐘信號(hào)，但在最初試驗(yàn)布置的時(shí)候千兆以太網(wǎng)并未使用，而且PCB板上PHY芯片也未上件，以太網(wǎng)功能未實(shí)現(xiàn)，理論上不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的輻射發(fā)射測試失效，這里也是本文選擇2.625 GHz頻點(diǎn)來進(jìn)行說明的原因。噪聲源和天線是噪聲對外輻射的必要條件，二者缺一不可，在產(chǎn)品原理圖和PCB設(shè)計(jì)時(shí)，開發(fā)人員往往會(huì)特別關(guān)注典型的噪聲比較強(qiáng)的信號(hào)線或芯片，但無意的天線模型才是EMC中最難識(shí)別和確認(rèn)的，比如PCB本體、線纜、銅皮、母子板、走線和散熱片等，這些都可能是無意的天線。

本文中2.625 GHz頻點(diǎn)超標(biāo)同樣也存在這種無意的單極天線模型，即PCB板上的斷折線，一端與芯片連接，一端懸空，這種情況最常出現(xiàn)在平臺(tái)化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品上，因?yàn)橐獙?yīng)不同客戶的需求，所以要先設(shè)計(jì)出功能最全的產(chǎn)品，后期再根據(jù)客戶不同的需求進(jìn)行配置的刪減。2.625 GHz噪聲的驅(qū)動(dòng)源是RGMII TX-CLK時(shí)鐘，一個(gè)125 MHz的方波信號(hào)，PCB板等效天線模型如圖5所示。

當(dāng)無意天線長度和電磁波信號(hào)波長1/4相比擬時(shí)，天線發(fā)射效率最高、對外輻射最強(qiáng)，在本文中2625 MHz頻點(diǎn)對應(yīng)波長是114 mm，1/4波長長度約29 mm；而RGMII TX-CLK時(shí)鐘信號(hào)線在PCB上走線長度是28.25 mm，走線長度與噪聲信號(hào)的1/4波長相比擬，因此對外輻射強(qiáng)度最強(qiáng)。

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，除了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能所需的電路原理圖所表述的功能以外，還有很多未知的、容易被忽略的參數(shù)，如信號(hào)線與信號(hào)線之間的寄生電容、寄生互感，信號(hào)線與參考地之間的寄生電容，信號(hào)線的引線電感等等。這些參數(shù)的值雖然很小，但都與頻率相關(guān)，它們在直流或低頻情況下，往往很小，通常會(huì)被開發(fā)人員忽略，但是當(dāng)頻率上升到汽車電子輻射發(fā)射測試所考核的高頻范圍內(nèi)，這些參數(shù)也會(huì)隨之增大，可能會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

也是以上這些因素導(dǎo)致產(chǎn)品中存在的一些等效天線（電纜或長尺寸導(dǎo)體）中寄生著一種不被期望的共模電流，雖然它的電流強(qiáng)度很?。ㄍǔＴ趍A級以下或μA級），但是隨著多層PCB技術(shù)應(yīng)用，信號(hào)的環(huán)路面積被控制得越來越小，正常工作信號(hào)環(huán)路所產(chǎn)生的輻射越來越有限，產(chǎn)品中這種等效的無意發(fā)射單極天線會(huì)導(dǎo)致輻射發(fā)射測試超標(biāo)的問題也凸顯出來，逐漸成為導(dǎo)致超標(biāo)的主要原因[6]。

3.4 輻射發(fā)射失效整改對策

在確定了噪聲源頭和天線模型后，可以根據(jù)EMC干擾源、耦合路徑、敏感源這3個(gè)要素來考慮整改對策。根據(jù)本次輻射發(fā)射測試超標(biāo)的原因，本次整改對策可以分別從干擾源頭和耦合路徑上進(jìn)行著手分析。在源頭上，可以在時(shí)鐘源端增加RC濾波降低時(shí)鐘信號(hào)的上升沿從而降低高次諧波的分量；也可以降低時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度來降低輻射發(fā)射量，在本項(xiàng)目中千兆以太網(wǎng)并未使用，故也可以采用通過軟件關(guān)閉千兆以太網(wǎng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的方式來消除噪聲源；在路徑上，前期問題排查時(shí)已經(jīng)確定在外殼縫隙處增加屏蔽可以解決2.625 GHz頻點(diǎn)超標(biāo)問題，但該對策需要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，需要重新開模導(dǎo)致增加研發(fā)成本；另一個(gè)整改方法是從天線模型上去對策，可以改變無意天線的長度，即改變天線發(fā)射效率，或減小共模噪聲電流來降低發(fā)射。2.625 GHz頻點(diǎn)超標(biāo)失效對策方案匯總?cè)绫?所示。

綜合項(xiàng)目周期及成本等方面考慮最終選擇方案2進(jìn)行失效對策，零部件設(shè)計(jì)驗(yàn)證（Design Verification， DV）測試滿足整車企業(yè)要求，且裕量在8 dB以上。

3 結(jié)束語

本文針對智能泊車輔助系統(tǒng)輻射發(fā)射超標(biāo)的問題，系統(tǒng)研究了研發(fā)過程中可能導(dǎo)致EMC測試失效的原因及對策，綜合考慮時(shí)間、成本等因素，采用更新軟件、關(guān)閉時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的解決方法使輻射發(fā)射測試通過，經(jīng)對比分析該方法用時(shí)最短、成本最小。未來智能泊車輔助系統(tǒng)將更加智能化、精細(xì)化，研究其系統(tǒng)級EMC設(shè)計(jì)可以降低由系統(tǒng)發(fā)射超標(biāo)導(dǎo)致整車試驗(yàn)失效的概率，確保試驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性、減少測試成本、提高測試效率，有效保障汽車行駛安全。

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