產品的電子系統兼容性需要接受電磁兼容性 (EMC) 測試。電子產品在特定地區銷售和使用前必須通過一系列特定的測試。汽車電子系統有專門的EMC測試，這是因為電子子系統需要在其他產生噪聲的電氣設備附近正常運行。汽車環境中的振動和溫度范圍也需要進行由AEC-Q100等獨立芯片級別認證流程定義的附加認證。

　　EMC是電子系統在不對其他電子系統的性能產生負面影響的條件下正常運行的能力。ISO和 IEC兼容性技術規范包括輻射 (通過空氣傳輸)和傳導(通過線束)測試。每項測試涵蓋了電子子系統的發射 (從系統向外放射) 和抗擾 (影響被測子系統的外部來源) 能力。因此，共有以下四種不同的EMC測試，并且每種測試對應不同的EMC測試標準：

　　1. 傳導抗擾測試 (ISO11452-4)

　　2. 輻射抗擾測試 (ISO 11452-2)

　　3. 傳導發射測試 (CISPR25)

　　4. 輻射發射測試 (CISPR25)

　　實際上，還有第五項測試，稱為靜電放電 (ESD) 測試，也常常與上述EMC測試一起討論。但這項測試與其他測試存在明顯的區別——該測試使用靜電發射槍將靜電荷注入子系統中以測量其抗擾性。本文將深入探討前四項EMC測試。

　　下面，我們將以電容傳感應用為例，更詳細地探討EMC測試。此外，本文還將介紹各地區汽車制造商 (比如豐田、寶馬、大眾等) 規定的一些自定義EMC測試。我們還將介紹設計兼容汽車環境的電子系統時的一些系統層面的內容以及業內進行EMC測試時所遇到的挑戰。

　　故障級別一覽

　　EMC測試是為了評估被測系統以及周圍的其他系統是否能夠在噪聲環境中正常運行。汽車環境中的一些EMC故障癥狀如下：

　　1. 車輛啟動時的非關鍵電子設備故障 (例如：車載娛樂系統、電動車窗控制、車內照明等)

　　2. 發動機控制單元 (ECU) 或制動系統等關鍵電子設備因負載突降過程中的功率激增而發生故障

　　3. 汽車車載娛樂系統的聲音輸出如同發動機或起動電機啟動時的聲音

　　4. 汽車跳線跨接啟動過程中對電路造成的永久性破壞

　　5. 電子系統因電氣干擾而出現錯誤和意外重啟

　　汽車制造商通過故障分級確認了上述癥狀的嚴重性。故障分級的典型例子見表1。

　　表 1. 故障分級列表

　　必須注意的是，嚴重程度并不代表故障的重要程度。所有系統，無論是關鍵系統還是非關鍵系統，都可能發生上述類別中的任何故障。但ECU、制動控制、安全氣囊控制、動力傳動系統等關鍵系統的故障接受程度不同。這些系統不得出現任何故障，即便是級別5的故障也不例外。多媒體、車載娛樂系統、電動車窗等非關鍵系統的接受程度往往較低。根據故障對系統的整體影響，部分級別4和級別5的故障通常可以接受。接受程度由制造商根據故障對汽車各子系統可能造成的結果以及解決非關鍵問題的成本決定。

　　汽車集成電路的認證

　　所有電子部件，尤其是用于汽車嵌入式系統的半導體集成電路必須能夠在苛刻的汽車環境中正常運行。AEC-Q100等設備標準由汽車電子委員會制定，是半導體制造商車用設備認證的指導文件。

　　下面列出了在AEC-Q100認證中測試的部分集成電路主要參數：

　　1. 零件工作溫度試驗 (一般情況下最高125℃)

　　2. 加速壽命試驗

　　3. 壓力試驗

　　4. 焊線和焊錫球抗剪試驗

　　5. 人體模型 (HBM) ESD試驗和 閂鎖試驗

　　6. 非易失性存儲器耐久試驗

　　7. 短路可靠性鑒定

　　由于汽車系統對電子部件的可靠性有嚴格的要求，因此系統設計師必須選擇經過AEC-Q100認證的集成電路。鑒于所涉及的復雜性，建議聯系制造商獲得本文未涵蓋的有關AEC-Q100認證部件的具體信息。制造商還會為產品提供詳細的文件與應用支持，以便通過汽車EMC測試。

　　系統層面的EMC測試方法

　　EMC實驗能夠定量測試被測系統是否適合用于汽車。該系統還必須在運行過程中足夠“安靜”，從而不干擾周圍的其他設備。在穩健性或抗擾測試中，通過線束(傳導抗擾) 或射頻天線 (輻射抗擾) 將外部噪聲注入。在注入噪聲的過程中，觀察系統的運行。注入不同頻率的噪聲，根據標準規范中的規定控制噪聲的強度。

　　為了定量測試被測系統的傳導抗擾性，需按照頻譜強度將線束上的噪聲電壓頻譜繪制成圖表。在輻射抗擾測試中，通過位于標準規范規定距離的相應射頻天線獲得噪聲頻譜。無論是哪種情況，頻譜必須低于規范中規定的合格限值。表2列出了部分通用的汽車EMC規范。

　　表2 - 各地區的EMC標準

　　此外，汽車制造商常常會制定自己的規范，其中大部分比通用標準更加嚴格。表3列舉了部分車廠自定的汽車EMC標準。

　　表 3 – 車廠自定的EMC標準

　　傳導抗擾測試

　　汽車環境的傳導抗擾測試在所有EMC測試中最為嚴格，因此，要通過抗擾測試的難度最大。在傳導抗擾測試中，通過線束將噪聲注入系統。系統必須能在噪聲環境中正常運行。

　　圖1 - ISO-11452 EMC設置線路圖

　　圖1是用于控制乘用車暖通空調控制單元的電容傳感用戶界面 —— 賽普拉斯PSoC系統。在ISO11452-4 EMC標準測試中，射頻噪聲發生器通過射頻耦合鉗將噪聲注入被測系統的電源線束中。噪聲的頻率范圍是1MHz 至 400 MHz，強度是射頻耦合鉗中的200mA回路電流 。見圖2。

　　圖 2 – ISO11452-4實驗室設置

　　例如，賽普拉斯CapSense界面等電容傳感界面已代替了許多汽車用戶界面中的機械按鈕。可根據是否出現以下故障判斷電容觸摸傳感系統的功能是否正常：

　　1. 未出現錯誤的觸摸，即在人未觸摸輸入傳感器時，系統不會檢測到觸摸輸入

　　2. 未出現觸摸靈敏度下降，即用戶無需用力觸碰輸入傳感器，系統就能感應到觸摸輸入

　　3. 未出現卡住現象，即在用戶停止觸摸輸入后，系統不應卡在探測到觸摸的狀態

　　4. 系統在EMC噪聲注入時不得出現間歇性的重啟。

　　為了通過傳導抗擾測試，在設計系統時必須小心謹慎，包括電壓調節器電路的設計以及瞬變電壓抑制 (TVS) 二極管等電路保護元件的使用。尤其是通過12伏汽車蓄電池為子系統提供穩定電壓的低紋波汽車電源的設計對于產品的合規性至關重要。圖3顯示的是ISO11452-4 測試中電源導軌的輸出電壓紋波，藍色表示非汽車電源電路Rev1電路板，紅色表示精心設計的汽車電源 Rev2電路板。

　　圖3 - 不同電源電路傳導抗擾測試過程中的電壓紋波

　　根據傳導抗擾測試過程中注入的噪聲頻率繪制紋波圖。如圖所示，如果電源電路的設計良好，100MHz區域的紋波會大幅減弱。此次測試的對象是為汽車暖通空調用戶界面控制單元設計的賽普拉斯PSoC4電容傳感系統。

　　另一項抗擾測試 —— ISO7637-2 瞬變抗擾測試是汽車系統特有的測試，該測試模擬在跳線跨接啟動、負載突降、點火啟動、電池反接等車內事件過程中線束上所產生的典型電氣噪聲。在電源路徑中使用TVS二極管和串聯電感器等合適的保護設備有助于減少瞬變對被測系統的影響。

　　輻射發射測試

　　在汽車環境中，輻射發射測試對于開關頻率的系統而言尤其重要，比如觸屏車載娛樂系統和包括車內藍牙與鑰匙系統在內的射頻收發器等。輻射發射測試使用射頻天線測量被測系統的發射頻譜。使用頻譜分析器測量頻譜強度 (FFT振幅)。圖4是電波消聲室內測量輻射發射的實驗室設置。

　　圖4 – 實驗室輻射發射設置

　　測試頻率及其規定的振幅限值以各自的EMC標準為準。由于最新的汽車系統所產生的振幅和頻率更高，因此如今EMC標準中的最高頻率已達到5GHz。在大部分情況下，只使用一根射頻天線無法測量較大范圍頻率下的發射，因此在測量多個頻帶時需要使用多根天線。在這一過程中，所有天線的天線阻抗必需相等，從而可以比較整個頻率范圍。目前，整車制造商都在使用覆蓋全部頻率區間的寬帶蝶形天線。如圖5所示。

　　圖5 - 用于射頻發射測試的寬帶蝶形天線

　　減少較高頻率下發射的方法之一是控制引起發射的開關信號的上升時間。另一項方法是使用擴展頻譜技術掃描所產生的頻率，從而使所有能量平均分布在更寬的頻帶。有時，制造商將這些方法與特定的部件相集成。例如，為了有效地達到輻射發射標準，賽普拉斯在其電容傳感技術中同時提供這兩種技術。

　　輻射抗擾測試

　　輻射抗擾測試也使用發射測試中的天線。在測試中，射頻噪聲通過輻射介質 (空氣) 被注入到被測系統中。通過測試的標準類似于上文中提到的傳導抗擾測試。使用屏蔽和導體機箱等方法減少輻射對被測系統的影響。

　　傳導發射測試

　　在傳導發射測試中，系統將噪聲注入經常作為多種子系統總線共軌的電源線 (線束)。在大多數情況下，汽車的電子子系統不是線束上電氣噪聲的主要來源。假如它們產生明顯的傳導噪音，則可通過在電源接入點設計帶有合適旁路電容器的系統改進結果。

　　EMC兼容性標準方面的挑戰

　　由于在現代汽車中，電子子系統執行的是關鍵功能，因此兼容性標準已變得越來越嚴格。許多整車制造商都強制規定，即便是非關鍵電子子系統都必須通過EMC抗擾測試并且不得產生任何故障，包括上文中的級別5故障。此外，汽車EMC測試所涉及的方面越來越多，子系統的各項功能都需要在各種噪聲頻率下接受完整的測試。非關鍵特性，如子系統的用戶響應時間和低功耗模式等也需要接受完整的測試并且不得出現任何偏差，即便是用戶不通過EMC測試就無法發現的也不例外。

　　由于目前的EMC測試耗時數小時，因此需要自動化的EMC測試流程。例如，如果對電容傳感子系統進行一次完整的EMC測試，則僅僅是傳導抗擾測試就需要3小時以上，而整套EMC測試的耗時更是長達20小時以上。由于移動和物聯網 (IoT) 應用程序往往位于被測系統的附近 (比如用戶攜帶手機或連接WiFi無線網絡的設備進入車內)，因此，EMC輻射抗擾和發射測試中的頻帶范圍已擴展到5GHz以外。

　　大部分 EMC都在電波消聲室內進行，電波消聲室的墻壁使用的是能夠防止輻射發射反射的吸波材料。這是一種與汽車子系統實際所在環境完全不同的理想環境。因此，有些整車制造商還會使用金屬室或調諧回響室刻意制造朝被測系統的反射。這樣，他們就能研究這些反射對系統功能和抗擾性的影響。

　　眾所周知，汽車電子子系統的設計難度不斷增加，尤其是在兼容性方面。此外，控制成本和最大程度地減少不斷增加的輻射源使設計變得更加復雜。有時，終端用戶可能帶著不兼容或非汽車級別的設備進入車內，從而影響系統的功能。這一點很難通過標準EMC測試發現。常見的例子是在車內不兼容的手機收到來電時，車載娛樂系統會發出異響。

　　EMC基礎設施方面的挑戰

　　EMC測試中所使用的設備非常昂貴。通常，普通的汽車一級供應商無法購買自行使用的設備，通常的做法是向經過認證的EMC實驗室租借場地與設備。但每小時的租賃成本也十分高昂。此外，如果未通過EMC測試，則設計工程師需要修改系統 (硬件、固件等) 并且需要付出額外的成本在實驗室再次進行測試。由于EMC實驗室的數量有限并且等待實驗室“檔期”的一級供應商數量眾多，因此從設計師申請到實際使用之間需要等到很長的時間，這進一步影響了整體上市時間。

　　減少外部實驗室使用成本并提高效率的一種方法，是公司在內部設計場所使用預認證設備調校系統。預認證設備無法精確測量強度，但可以提供大致的噪聲頻譜供設計師對系統進行微調。

　　汽車電子子系統的產品兼容性與電磁兼容性已逐漸成為一項越來越大的挑戰。電子產品自設計階段開始就必須把重點放在兼容性上。由于內部射頻專業知識與測試設備有限，因此難以進行測試。為此，僅僅使用符合標準的芯片不足以使公司確保能夠通過汽車子系統EMC測試。芯片制造商需要積極支持他們的芯片產品。雖然應用說明可以描述實現EMC兼容性的最佳方法，但每部子系統都是獨一無二的。因此，您必須有經驗豐富的應用工程師幫助您審核硬件原理圖和PCB布局，并且調校固件參數。