新仿真技術可抑制汽車系統電磁干擾

汽車中的利用電子控制的系統種類越來越多，如數字調頻廣播、遠程無鑰匙進入系統、胎壓監測系統、GPS、衛星數字電臺服務、藍牙、Wifi等等。消費者很熱衷于這些功能，但是在其背后，電氣系統集成電路的時鐘頻率、電路密度和復雜度也在持續增長。大量的接入端口意味著更多的設備能夠充當天線的角色，例如手機。此外，嵌入式控制單元數量增多、車載診斷（OBD-Ⅱ）數據傳輸率提高、控制器區域網絡總線增加均會導致潛在電磁干擾的增加。

整車的電磁干擾情況雖可通過仿真來進行模擬，但一定要在成型的原型車上進行。在這個階段，發現問題并解決問題需要耗費大量的時間和成本。此外，如今的汽車電子系統的復雜度高，數量龐大，要對每個系統進行仿真模擬是一個巨大的工程。

不過，研究者最近開發出了新型模擬仿真方法，能夠在電子系統出錯之前就發現并對其進行修改。例如，新的模擬軟件可識別高速電子組件中發出的電磁干擾并確定其電磁輻射對汽車各個其他電子系統的影響。與物理原型測試不同，模擬測試能夠同時考慮各項設計之間可能會發生的不兼容情況。

在實驗過程中，研究者確立了幾項能夠降低電子系統電磁干擾的標準。其中，ISO 11451-2標準用來確定車輛對車外輻射源的免疫能力。該標準的測定方式是：在消聲實驗室中，將需要測試的電子系統打開，并在其周圍安置具有天線功能的設備，檢測其是否會受到電磁干擾。執行該測試的原型設備非常昂貴，測試需要大量時間，大幅限制了開發效率。

這項測試中模擬時最大的挑戰是計算機需要進行大量的計算才能模擬出消聲區域空間。混合有限元和邊界積分方法（FEBI）利用索末菲爾德型積分或許能夠解決這一問題。利用該方法，建模時計算機則無需模擬出空氣區域的模型，同時能夠提供精確的遠場輻射條件計算。該技術能夠用于整車模擬，包括復雜的幾何形狀和電介質材料，以更少的計算機資源達到更精確的模擬效果。

在一項研究中，研究者基于ISO 11451-2標準配置了電場分布和頻率頻率為1GHz的天線輻射遠場模式，并使用常規的有限元法進行測量。仿真中包括測試需要的空氣模型，以及吸收元件。對于該特定仿真模型，89%的元件用于創建模擬空氣介質。通過在高性能計算機平臺上采用域分解法模型，解決了該問題。模擬中，12節點計算機平臺花費310分鐘以及75GB的數據量建立了該空氣模型。

然后，研究者利用混合有限元和邊界積分方法做了同樣的模型測試。有限元建模法中的大型空氣模型被兩個較小的空氣模型代替，其外面表非常接近天線和被測試車輛。吸收元件也用積分方程的邊界替換，所達到的結果是相同的。兩種建模方法中的天線遠場模式相似，也就是說，混合有限元和邊界積分法與有限元積分法的建模精度是相近的。不過，前者同樣利用12節點HPC平臺，僅花了28分鐘和6.8GB的數據量就完成了建模，比后者的效率提升了10倍。

混合有限元和邊界積分還可用于測試ECU模塊的抗電磁干擾能力。將一塊印刷電路板（PCB）與發動機導線線束連接后，共同添加進仿真模型中。信號由發動機底部傳感器發送，通過發動機導線線束傳遞至印刷電路板。

為了了解線束系統的作用，研究利用兩個仿真過程清楚表達了其特性。在第一個仿真實驗中，將三個線束與印刷電路板連接。在第二個實驗中，將線束移除，并以一個隨機J1939隨機總線信號直接與印刷電路板連接器相連。結果表明，印刷電路板在與線束連接時會發生諧振。該諧振的頻率與線纜的長度呈特定的函數關系。實驗結果表明源天線和印刷電路板之間的信號強度在152MHz-191MHz頻段時增加了30分貝。

除了抗電磁干擾能力之外，汽車組件的電磁兼容性也非常重要。安全氣囊和娛樂信息系統的運行狀態取決于ECU的運行速率。而MCU的運行速率則取決于其接收到的功率大小。印刷電路板設計的好壞能夠造成±100毫伏的壓差變化，對MCU造成的頻率波動可達40-60赫茲，因此印刷電路板的設計必須要能夠滿足MCU的工作性能需求。電氣系統中設計芯片、封裝、印刷電路板設計，因此并不是靠單一廠商的高標準就能實現電氣系統高效工作。現有的組件包裝設計采用非常基本的功耗估算法，因此印刷電路板設計師往往得不到芯片的瞬態特性和功耗信息，設計非常不便。

芯片功率模型（Chip Power Model，CPM）能夠用于集成電路的低功率系統級仿真過程中。芯片功率模型中包括一個SPICE等效電路模型，能夠捕捉到全芯片轉換電流的特征以及芯片電網的寄生網絡。此外，該模型還可實現集成電路節能方案設計；在布線后階段，它可用于集成電路封裝的優化。