新仿真技术可抑制汽车系统电磁干扰

汽车中的利用电子控制的系统种类越来越多，如数字调频广播、远程无钥匙进入系统、胎压监测系统、GPS、卫星数字电台服务、蓝牙、Wifi等等。消费者很热衷于这些功能，但是在其背后，电气系统集成电路的时钟频率、电路密度和复杂度也在持续增长。大量的接入端口意味着更多的设备能够充当天线的角色，例如手机。此外，嵌入式控制单元数量增多、车载诊断（OBD-Ⅱ）数据传输率提高、控制器区域网络总线增加均会导致潜在电磁干扰的增加。

整车的电磁干扰情况虽可通过仿真来进行模拟，但一定要在成型的原型车上进行。在这个阶段，发现问题并解决问题需要耗费大量的时间和成本。此外，如今的汽车电子系统的复杂度高，数量庞大，要对每个系统进行仿真模拟是一个巨大的工程。

不过，研究者最近开发出了新型模拟仿真方法，能够在电子系统出错之前就发现并对其进行修改。例如，新的模拟软件可识别高速电子组件中发出的电磁干扰并确定其电磁辐射对汽车各个其他电子系统的影响。与物理原型测试不同，模拟测试能够同时考虑各项设计之间可能会发生的不兼容情况。

在实验过程中，研究者确立了几项能够降低电子系统电磁干扰的标准。其中，ISO 11451-2标准用来确定车辆对车外辐射源的免疫能力。该标准的测定方式是：在消声实验室中，将需要测试的电子系统打开，并在其周围安置具有天线功能的设备，检测其是否会受到电磁干扰。执行该测试的原型设备非常昂贵，测试需要大量时间，大幅限制了开发效率。

这项测试中模拟时最大的挑战是计算机需要进行大量的计算才能模拟出消声区域空间。混合有限元和边界积分方法（FEBI）利用索末菲尔德型积分或许能够解决这一问题。利用该方法，建模时计算机则无需模拟出空气区域的模型，同时能够提供精确的远场辐射条件计算。该技术能够用于整车模拟，包括复杂的几何形状和电介质材料，以更少的计算机资源达到更精确的模拟效果。

在一项研究中，研究者基于ISO 11451-2标准配置了电场分布和频率频率为1GHz的天线辐射远场模式，并使用常规的有限元法进行测量。仿真中包括测试需要的空气模型，以及吸收元件。对于该特定仿真模型，89%的元件用于创建模拟空气介质。通过在高性能计算机平台上采用域分解法模型，解决了该问题。模拟中，12节点计算机平台花费310分钟以及75GB的数据量建立了该空气模型。

然后，研究者利用混合有限元和边界积分方法做了同样的模型测试。有限元建模法中的大型空气模型被两个较小的空气模型代替，其外面表非常接近天线和被测试车辆。吸收元件也用积分方程的边界替换，所达到的结果是相同的。两种建模方法中的天线远场模式相似，也就是说，混合有限元和边界积分法与有限元积分法的建模精度是相近的。不过，前者同样利用12节点HPC平台，仅花了28分钟和6.8GB的数据量就完成了建模，比后者的效率提升了10倍。

混合有限元和边界积分还可用于测试ECU模块的抗电磁干扰能力。将一块印刷电路板（PCB）与发动机导线线束连接后，共同添加进仿真模型中。信号由发动机底部传感器发送，通过发动机导线线束传递至印刷电路板。

为了了解线束系统的作用，研究利用两个仿真过程清楚表达了其特性。在第一个仿真实验中，将三个线束与印刷电路板连接。在第二个实验中，将线束移除，并以一个随机J1939随机总线信号直接与印刷电路板连接器相连。结果表明，印刷电路板在与线束连接时会发生谐振。该谐振的频率与线缆的长度呈特定的函数关系。实验结果表明源天线和印刷电路板之间的信号强度在152MHz-191MHz频段时增加了30分贝。

除了抗电磁干扰能力之外，汽车组件的电磁兼容性也非常重要。安全气囊和娱乐信息系统的运行状态取决于ECU的运行速率。而MCU的运行速率则取决于其接收到的功率大小。印刷电路板设计的好坏能够造成±100毫伏的压差变化，对MCU造成的频率波动可达40-60赫兹，因此印刷电路板的设计必须要能够满足MCU的工作性能需求。电气系统中设计芯片、封装、印刷电路板设计，因此并不是靠单一厂商的高标准就能实现电气系统高效工作。现有的组件包装设计采用非常基本的功耗估算法，因此印刷电路板设计师往往得不到芯片的瞬态特性和功耗信息，设计非常不便。

芯片功率模型（Chip Power Model，CPM）能够用于集成电路的低功率系统级仿真过程中。芯片功率模型中包括一个SPICE等效电路模型，能够捕捉到全芯片转换电流的特征以及芯片电网的寄生网络。此外，该模型还可实现集成电路节能方案设计；在布线后阶段，它可用于集成电路封装的优化。