強(qiáng)化車載電子系統(tǒng)安全性車輛EMC設(shè)計(jì)

車載電子系統(tǒng)不僅容易受到外在環(huán)境因素干擾，其內(nèi)部電路板走線也常會(huì)產(chǎn)生噪聲問題，造成運(yùn)作不穩(wěn)定或失效；因此，電磁兼容設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，便成為開發(fā)車載電子設(shè)備*的重要環(huán)節(jié)。

汽車產(chǎn)業(yè)對車載電子的需求越來越大，使得裝載于車輛上的電子系統(tǒng)持續(xù)增加。車輛屬于一項(xiàng)長距離移動(dòng)且長時(shí)間使用的交通工具，運(yùn)作的環(huán)境條件無法預(yù)期，相較于一般信息產(chǎn)品，車輛電子系統(tǒng)穩(wěn)定度的要求嚴(yán)苛許多。再者，車輛配置空間有限，各系統(tǒng)之間的信號傳輸須透過較長的線束連接，環(huán)境噪聲容易借此耦合到線束上，造成電子系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至誤判。此外，電子系統(tǒng)一般皆由印刷電路板（Printed Circuit Board，PCB）與電子零件組成，為了達(dá)到即時(shí)（Real-Time）判斷與控制，PCB板上多以高速信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸或轉(zhuǎn)換，快速變換的信號亦容易產(chǎn)生電磁干擾問題。

因此，車載電子系統(tǒng)除了配置環(huán)境所受到的外部干擾外，亦包含PCB板本身走線所產(chǎn)生的噪聲，故車載電子系統(tǒng)的電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）設(shè)計(jì)便顯得格外重要。

抑制EMC問題從設(shè)計(jì)源頭做起

由電生磁，由磁生電，「電」跟「磁」是相互相依的存在，因此市售的各類電子產(chǎn)品或電機(jī)設(shè)備在通電使用的過程中，必定會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。為避免電磁輻射透過空氣耦合到其他設(shè)備導(dǎo)致異常，過去二、三十年來，間主要的經(jīng)濟(jì)體國家先后建立標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，明確地訂定各類電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的電磁輻射必須符合電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)，否則該電子產(chǎn)品無法在當(dāng)?shù)厣鲜袖N售；而電磁兼容包含電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）與電磁耐受（Electromagnetic Susceptibility，EMS）兩個(gè)部分。

欲抑制電子產(chǎn)品EMC問題，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初去解決是zui容易，且成本zui低的；一個(gè)精密電子設(shè)備的組成構(gòu)架由zui初的電路板設(shè)計(jì)，慢慢集合成為一個(gè)功能模塊，zui后再組成一個(gè)系統(tǒng)；因此，在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)的階段即能考察EMC問題，分析PCB走線可能產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，再針對這些噪聲源的成因，進(jìn)行各項(xiàng)預(yù)防措施與布局，將能有效抑制噪聲干擾，以及提升電磁耐受能力。

圖1所示為一般PCB的設(shè)計(jì)流程，在設(shè)計(jì)初期的電路分析（Schematic Design），為了方便計(jì)算，元件皆假設(shè)為*的理想值，非常容易發(fā)現(xiàn)與修正硬件參數(shù)上的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；到了零件擺置（Components Placement）階段，若沒有全面考察PCB上主要零件的數(shù)據(jù)處理流向，以及規(guī)畫信號屬性區(qū)別分隔的話，進(jìn)入走線設(shè)計(jì)（PCB Layout Design）時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)大量布線交錯(cuò)，且走線沒有系統(tǒng)性，信號干擾的肇因往往源自于此。

起初產(chǎn)品在功能面的表現(xiàn)上，不會(huì)有太大的問題，到了測試驗(yàn)證階段時(shí)，才會(huì)發(fā)現(xiàn)問題接踵而來，此時(shí)發(fā)生的電磁干擾問題，通常須要耗費(fèi)更多的時(shí)間與人力來解決，zui終多是回到設(shè)計(jì)階段重新進(jìn)行零件擺置與Layout走線設(shè)計(jì)，然后再經(jīng)過打樣與組裝（PCB Assembly），造成產(chǎn)品的量產(chǎn)時(shí)程將延遲，且成本將提高數(shù)倍。

因此，若工程人員在設(shè)計(jì)初期，即導(dǎo)入PCB Design-in的觀念，確實(shí)的規(guī)畫與布局，分析PCB走在線干擾源可能發(fā)生的原因，針對這些噪聲源的成因，做各項(xiàng)修正、預(yù)防與抑制措施，將能有效縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)程與節(jié)省成本。

追求系統(tǒng)安全電磁干擾防治為關(guān)鍵

本文描述之硬件電路開發(fā)系建構(gòu)在一車用圖像安全系統(tǒng)上，圖2所示為車用圖像硬件平臺之構(gòu)架圖。

該系統(tǒng)采雙高速數(shù)位信號處理器（DSP），為處理核心進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；圖像擷取單元為電荷耦合元件（CCD）或互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體感測器（CMOS Sensor）攝像機(jī)，取得駕駛道路環(huán)境的圖像送到譯碼單元，將模擬圖像信號轉(zhuǎn)換為DSP可接受之?dāng)?shù)位信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與判斷；數(shù)據(jù)存取單元包含非揮發(fā)性內(nèi)存Flash與DDR2，用以儲存譯碼單元處理后的圖像信息及DSP運(yùn)算分析后的結(jié)果，再結(jié)合車身控制區(qū)域網(wǎng)路（Control Area Network，CAN）信號，分析駕駛環(huán)境可能潛在的危險(xiǎn)性，并透過警示單元提醒駕駛?cè)?，若須配合即時(shí)影像，則可透過編碼單元，將處理后的數(shù)位影像信號轉(zhuǎn)換回模擬訊號并顯示于屏幕（Monitor）上，方便駕駛?cè)伺凶x。

系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)畫有助于進(jìn)行電子零件配置與線路布局，由圖3可知，由于系統(tǒng)同時(shí)具有數(shù)位信號以及模擬信號，屬于混合信號控制系統(tǒng)。

高速數(shù)位信號多以百萬分之一秒，甚至更高的速度進(jìn)行高/低準(zhǔn)位變換，信號于高準(zhǔn)位時(shí)，由電源平面提供所需的工作電流，低準(zhǔn)位時(shí)則不消耗電流，因此數(shù)位信號在狀態(tài)改變時(shí)，由于快速抽載與卸載，造成電源平面的電流瞬間變化，產(chǎn)生切換噪聲或接地彈跳，致使電源平面不停振蕩進(jìn)而導(dǎo)致電壓準(zhǔn)位跳動(dòng)。一旦電壓變動(dòng)的程度超過芯片所容許的范圍，系統(tǒng)功能就會(huì)受到影響甚至重置（Reset），同時(shí)固定周期的時(shí)脈信號（Clock），帶有強(qiáng)烈的高頻成分，與其他信號線太靠近時(shí)，會(huì)將已達(dá)射頻（RF）頻率的能量耦合到其他信號在線，造成串音干擾（Cross Talk）。

模擬信號較為敏感，容易受到高速信號干擾而造成原始信號失真，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理分析判斷錯(cuò)誤，因此在模擬數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）與數(shù)位模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）信號轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)布局上，須避免兩種不同屬性的元件交錯(cuò)擺置，并且將兩種屬性的地平面（GND Plane）予以區(qū)隔，預(yù)防噪聲透過地平面相互影響（圖3）。

完成零件配置規(guī)畫后，尚須考察多層PCB板堆疊（Stack）設(shè)計(jì)。印刷電路板依電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度有不同層數(shù)可供運(yùn)用，而PCB板上各層間走線均屬于一個(gè)信號發(fā)散的3D電磁場空間，包含傳導(dǎo)、輻射以及感應(yīng)耦合現(xiàn)象，因此在PCB板層的堆疊設(shè)計(jì)上便顯得相當(dāng)重要。

適當(dāng)?shù)乩么竺娣e鋪銅做為屏蔽（Shielding），來阻擋干擾噪聲是常見的方法；另外，因特性阻抗Zo具有頻率特性，會(huì)造成走在線的信號強(qiáng)度隨頻率而衰減，且走在線的電流會(huì)循著阻抗zui低的路徑自行回流，在進(jìn)行線路布局時(shí)，必須試著對PCB板上所有的走線，提供低阻抗的線路，避免走線的回流路徑過大，而產(chǎn)生不必要的噪聲與干擾。

根據(jù)特性阻抗公式得知，增加電容值C能降低走在線的特性阻抗；再根據(jù)電容公式可知，兩極板之間的距離越小，電容效應(yīng)越好，特性阻抗就越??；上述兩式，可適當(dāng)應(yīng)用在PCB多層板設(shè)計(jì)上。

特性阻抗除了會(huì)影響信號強(qiáng)度外，也會(huì)造成信號在走在線產(chǎn)生反射波，導(dǎo)致信號波形紊亂而影響信號完整性（Signal Integrity）。阻抗值與走線方式、寬度、參考平面距離及PCB材質(zhì)等有相對關(guān)系，根據(jù)傳輸線設(shè)計(jì)理論，阻抗值為50Ω的傳輸線，有著*的信號傳輸質(zhì)量與zui小的衰減量，而PCB阻抗值的范圍約在25～120Ω之間，可透過調(diào)整走線寬度或板層間絕緣材質(zhì)的厚度，來得到近似50Ω的阻抗值。

圖4為本文系統(tǒng)之阻抗設(shè)計(jì)，一般信號線（Signal-End）阻抗設(shè)計(jì)為50Ω±10%，差動(dòng)信號線（Differential）阻抗為100Ω±10%；一些特殊阻抗要求可參考各家芯片設(shè)計(jì)廠商所提供的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)

做好接地回路設(shè)計(jì)噪聲干擾問題有解

隨著電子通訊設(shè)備普及，寬帶時(shí)代的定位系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)及無線藍(lán)牙通信等，逐漸成為車內(nèi)基本配備；在有限的車體空間里，系統(tǒng)裝置之間多以長線束做為連接或進(jìn)行信號傳遞，不同電子系統(tǒng)之線束，會(huì)同時(shí)捆綁以便于進(jìn)行車內(nèi)配線，因此干擾噪聲也容易相互耦合到鄰近的線材上。

圖像信號是較為敏感的信號線，且大多須搭配屏幕即時(shí)顯示駕駛環(huán)境，圖像質(zhì)量的優(yōu)劣更容易被察覺，如畫面出現(xiàn)水波紋、扭曲、閃爍等現(xiàn)象。為避免線束上的耦合干擾，圖像信號可選用外層具有地線包覆之線材，利用外層包覆的地線來達(dá)到屏蔽噪聲效果。

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