为社么汽车电子的电磁兼容性(EMC)标准严苛

汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。车体汽车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统(车身电子ECU)。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命。汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。据统计，从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16%增至23%以上。一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50%以上。按照对汽车行驶性能作用的影响划分，可以把汽车电子产品归纳为两类：一类是汽车电子控制装置，汽车电子控制装置要和车上机械系统进行配合使用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置;它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等，另一类是车载汽车电子装置，车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统(行车电脑)、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。

从发动机管理系统(燃油喷射率、排放控制、冷却系统)和自动驾驶控制(车道、速度、泊车辅助、自适应巡航控制)到信息娱乐系统和舒适系统(空调控制、座椅调节、自动雨刮等)，现代燃油汽车和电动汽车拥有比以往任何时候都要更多的电子设备。事实上，驱动现代汽车的微处理器和芯片如此普遍，它们实际上已经成为了和钢铝结构一样的汽车制造必备材料。根据德勤的一项研究表明，电子产品占新车总成本的40%，预计该值将在未来几年内增长到45%。所以确保汽车电子可靠性，是设计人员和制造商在向市场投放新车型时必须考虑的首要事项。Ansys仿真软件可帮助原始设备制造商(OEM)和供应商从项目一开始就实施可靠性设计(DfR)——从集成电路(IC)一直到印刷电路板(PCB)和外壳。

汽车电子的四大类别

汽车电子通常可分为四个不同类别：功能电子(对车辆运行至关重要)：防抱死制动系统(ABS)、自动变速器控制、起动器、燃油喷射、前灯和机电泊车制动。合规电子(由NHTSA或DOT规定)：安全气囊、排放控制、倒车摄像头和碰撞检测雷达。差异化电子(独特的、面向客户的技术)：信息娱乐、自适应巡航控制、Wi-Fi连接和高级驾驶辅助系统(ADAS)。增长类电子(面向各类车辆)：碰撞检测、仪表板显示器、平视显示器(HUD)、增强型信息娱乐系统、车与车通信(V2V)和改进型Wi-Fi。

由于面向汽车应用环境的电子产品的数量和种类繁多，包括自动驾驶车辆潜在更长的工作周期，以及消费者需求带来的更长使用寿命要求，汽车电子设计人员和制造商必须考虑虚拟验证和物理测试，以便将成本保持在合理水平并满足不断缩减的开发时限。故障测试电子应用已非新鲜事物，消费类电子、高科技等其它行业的电子应用也必须满足众多要求，包括：不动/有限振动没有或者很少的机械冲击低湿度/受控制的办公环境温度可预测的工作周期虽然这些条件非常适合家用电子产品，但汽车电子产品所面临的压力源要极端得多，包括：

大幅温度波动，持续的振动周期——在发生事故情况下，还会涉及突然冲击更长的使用寿命，与手机或笔记本电脑不同，汽车预计使用寿命为10年除此之外，还要加上不断缩小的特征尺寸，包括环境和运动传感器、车载计算机系统和网络以及车辆控制执行器。于是，突然间最佳性能的可预测性在一年、五年甚至十年的驾驶中不断下降，而性能下降会造成严重后果。汽车电子需满足-40℃至125℃的宽温域工作条件，且需承受振动、冲击等机械应力。共模电感的磁芯材料需选用高稳定性铁氧体或合金粉芯，避免温度漂移导致电感量偏移。同时，绕组需采用耐高温漆包线，并通过AEC-Q200车规认证，确保在复杂环境下长期可靠运行。

智能网联汽车中，CAN总线、以太网等通信频率可达百兆赫兹以上，共模电感需在高频段保持高阻抗特性，有效抑制共模噪声。为此，设计中需通过调整磁芯损耗、绕组紧密度等参数，优化其高频响应能力，避免信号失真。在电动汽车电池管理系统(BMS)、电机控制器等空间受限场景中，共模电感需兼顾低剖面设计与高饱和电流能力。通过多层绕线、一体成型工艺等技术，可在缩小体积的同时提升耐受电流，避免磁饱和导致的失效风险。普通铁氧体磁芯虽成本低，但易受温度变化影响;而非晶合金材料虽高频性能优异，却面临成本高、加工难度大的问题。车企通常根据具体应用场景，在两者间权衡取舍。例如，电机驱动系统倾向使用非晶材料，而车身控制模块则多采用高性价比锰锌铁氧体。

绕线工艺的精细化汽车级共模电感需采用自动化绕线设备，确保绕组对称性，避免因偏心导致电感量偏差。同时，绕线层间需增加绝缘胶带或树脂涂层，防止匝间短路，满足IP67防护等级要求。车规级共模电感必须通过CISPR 25、ISO 11452等电磁兼容测试。设计时需结合实测数据优化磁芯尺寸与匝数，例如通过增加气隙降低磁导率，从而抑制高频谐振现象。

温度适应性是关键一环。汽车发动机舱内温度极高，在夏季或长时间行驶后，局部温度甚至能超过 100℃，而车身外部的电子部件，如传感器，又要经受严寒酷暑、昼夜温差的考验。这就要求汽车电子 PCB 的基板材料具备卓越的耐高温与耐低温性能。例如，选用具有高玻璃化转变温度(Tg)的特殊 FR-4 板材或高温尼龙材料，它们在高温下不会软化、变形，确保电路连接稳定;在低温环境下，如零下 40℃的极寒条件，也不会变脆、开裂，保证电子元件正常工作。同时，对于发热量大的元器件，如功率模块，在 PCB 布局时要充分考虑散热路径，通过大面积铜箔散热、安装散热片甚至采用液冷散热结构与之配合，防止因过热导致性能衰退或故障。

其次，可靠性与耐久性要求极高。汽车的使用寿命通常较长，一般要求电子系统在 10 年或 15 万公里以上能稳定运行。汽车电子 PCB 设计因此必须采用冗余设计来提升可靠性。针对关键信号和供电线路，设置备份通道，一旦主线路出现问题，备份及时接替，避免系统崩溃。以发动机控制单元的 PCB 为例，对控制燃油喷射和点火正时的关键电路，配备双路冗余设计，确保发动机始终处于可控状态。在元器件选型上，严格筛选符合 AEC-Q 系列标准的汽车级元器件，这些元器件经过了严格的温度循环、湿度测试、机械冲击等多项耐久性验证，能在恶劣的汽车工况下长期坚守岗位。

再者，电磁兼容性(EMC)标准严苛。汽车内部空间有限，各类电子设备密集，如发动机点火系统、车载充电器、电动助力转向系统等，相互之间极易产生电磁干扰。同时，汽车还要抵御外界复杂电磁环境的影响，如高压线、通信基站等。在 PCB 设计时，一方面通过合理的布局分区，将模拟电路、数字电路、高频电路等精细划分，中间利用接地层或屏蔽线隔离。例如，在自动驾驶辅助系统的 PCB 上，把毫米波雷达的高频电路与图像处理的数字电路分开，防止相互干扰，确保雷达信号精准捕捉与图像数据快速处理。另一方面，对整车的接地系统科学规划，采用多点接地、混合接地等方式，为干扰电流提供低阻抗泄放路径，保障电磁环境稳定，避免因电磁干扰引发的系统误判、失控等危险情况。