CST电磁仿真电动汽车内饰产品系统级传导发射

近年来，汽车逐渐向电动化、智能化、网联化方向发展，汽车内饰设计的侧重点和价值输出也有了相对 的变化，智能化、电动化的汽车内饰环境更为驾驶者所提倡。智能化、电动化的汽车内饰不仅需要给驾驶者提供舒适的驾驶氛围，同时能发展情感互动平台，提升人性化，个性化的驾驶体验。因此，氛围灯在汽车内 饰上的应用日益增加，吸引多数驾驶者的关注和高度认可。汽车车门嵌饰背光板就是一个典型的内饰氛围灯应用产品。

 

氛围灯的亮度及颜色的调整及律动方案的应用需要电源电路、通讯电路及背光电路来实现。电路的引入使得嵌饰背光板的设计不仅要满足外观美学，材料应用等方面要求，还需要满足电气功能及电磁特性方面的要求，以保障其在车内外复杂的电磁环境下工作的可靠性。

 

嵌饰背光板的传导发射的电磁兼容性比较重要且容易失效。传导干扰是通过电源输入线和电缆进入系统。

 

电路中的大多数电磁干扰的传播路径问题与电路板的布局密切相关。电路板布局本质上定义了寄生电阻、电容和电感（RLC）组件，这些组件由 PCB 迹线、PCB 间线缆引入，从而导致 EMI。背光嵌饰板需要考虑到背光的亮度及均匀性，由于嵌饰板面积较大，往往 LED 光源无法集中在一块电路板上去覆盖整个嵌饰板的背光。这时在产品里需要引入线缆来连接多块板以便电源、信号的传输及背光调节的同步。但同时该线缆会降低它与参考地平面的输出寄生阻抗，进而造成传导干扰在频域上的若干峰值，直接导致电磁性能的失效。

 

在汽车电子产品开发周期如果能早考虑传导干扰的问题，针对此问题所能采取的整改措施就越多，成本也就越低。如果在产品级验证后或者是推向市场后，再进行整改，难度和成本都很高。因此在产品开发阶段引入电磁兼容仿真来进行性能预测，尽早发现问题并进行整改，能够大大节约研发成本和开发周期。本文以某某款车门嵌饰背光板为例，详细说明利用三维全波电磁场仿真工具CST得到线缆，印制电路板等器件及实验环境等效模型建模方法；同时通过对敏感激励的采样，来定性估计其对传导EMI的影响。最后结合场模型，激励源进行传导电压法场路协同仿真，将协同仿真的计算结果与实测结果进行比较，以确定仿真对此类产品传导性能预测的合理性及适用性。

 

2 汽车内饰电子产品概述

2.1 系统结构组成

图 1 和图 2 分别是某款汽车的车门嵌饰背光板的总成图和爆炸图。该背光板它包含①PVC 表皮②发泡材料③骨架④导光板⑤电路板(PCB1,PCB2)⑥后盖⑦线束等组成部分：

 

 

图 1 车门嵌饰背光板的总成图

 

 

图 2 车门嵌饰背光板的爆炸图

 

2.2 硬件电路框图

该嵌饰背光板包含电源电路，背光电路，通讯电路来需要实现氛围灯的亮度及颜色的调整及律动方案等。两块电路板电路方案设计一致。通过共同的连接器连至车身。电路框图如图 3：

 

 

图 3 车门嵌饰背光板的电路框图

 

其中 U_BAT 是整车电源，电路板上降压式开关电源芯片将整车电源转换成 5V 电源供电给 LED 驱动芯片。LED 驱动芯片集成了 LIN 通讯功能。车身 LIN 通讯线直接连入 LED 驱动芯片。LIN 的数据帧包含间隔场，同步场，数据场和校验和场。数据传输速率为 20kbps。

 

两块电路板的电源、LIN、地线通过线缆连成统一的电源、LIN、地网络，其中 PCB1 和 PCB2 中间线缆长度长达 1m。

 

3系统级传导发射（Conducted Emission）仿真建模

根据车厂电磁兼容测试标准，针对传导电压法测试标准，对标实测环境，搭建预测模型，预测传导电压法 EMI 辐射强度值和分布趋势。传导电压法用来测试电源线的差模和共模干扰。本文所涉及的传导干扰频率段（150kHz~108MHz）。

 

3.1 PCB 电路板关键电路 S 参数抽取

该背光板我们主要考虑电源网络和 LIN 信号传输网络的端口 S 参数。抽取 S 参数可以直接在矩阵中使用以显示频域中的反射/传输特性（振幅和可选的相位）。当复杂的时变信号通过线性网络时，幅度和相移会显着扭曲时域波形。利用 S 参数可以描述 PCB 上的传输线的阻抗及分布参数。

 

在 CST 3D 环境中，通过设置离散端口抽取各段传输线的 S 参数。

 

 

图 4 PCB1 关键电路 S 参数提取（局部）

 

 

图 5 PCB2 关键电路 S 参数提取（局部）

 

3.2 噪声源波形提取

从电路框图可以看出，电源信号和 LIN 信号是背光板到整车的主要信号，也是引起传导骚扰的敏感信号。

 

通过高采样率的示波器仪器提取 LIN 信号、开关电源芯片开关节点的 VSW 端口信号的时域数据，波形如下图6 和图 7。

 

 

图 6 VSW 端口信号

 

 

图 7 LIN 端口信号

 

由于该激励源通过 3D 场效应后被接收机接收，接收机将接收到的信号从时域转化成频域。为满足在整个测试频段都有该信号的频率分量，那么要求该激励源在采样时间 t 内。块长度 N（采样数量）需要满足公式

 

 

 

3.3 3D 模型的建立

达索 SIMULIA 旗下的 CST 软件是一款专注于 3D 电磁场仿真，并提供电路、热及结构应力协同仿真的设计软件。CST 提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法，仿真的频段从 DC 到 GHz+。在系统级 EMC 仿真领域， CST 具备仿真效率高、精度高、工程师容易上手等优势。借助 CST 微波工作室，我们可以将传导发射测试的实验环境场模型建立出来。分别由参考铜板、LISN、线缆、嵌饰板、泡沫组成。根据测试场景，嵌饰板的放置方式；电源线、地线的线径、到 LISN 的长度及 LISN 两端口的间距、高度；LIN 线的线径、长度、环绕方式，泡沫的高度，铜板桌面的尺寸，都在微波工作室里等比例建模。同时赋予各个模块对应的材料参数。

 

 

图 8 传导干扰测试 3D 模型

 

在本案例中，两块 PCB 通过 1m 长的线缆连接。电缆的寄生阻抗会导致谐振频率，造成传导干扰在频域上的若干峰值。如果谐振频率点落在传导干扰的测试范围内，那么这是导致传导干扰失效的风险因素。因此电缆的建模非常重要。在这里，推荐用 CST 2023 cable 工作式对线缆进行建模，再借助 CST 的 cable to 3D 功能，将线缆从 cable 工作室转换到微波工作室。Cable 工作室可以快速便捷的创建 cable 模型，保证仿真的精度。同时它可以对双绞线，屏蔽线甚至是更复杂电缆的进行 3D 模型创建。

 

 

图 9 线缆 3D 模型

 

由于结构件都是塑料件，对传导干扰没影响。为了减少网格量和计算时间，在本案列中，结构件不参与仿真。它们给 PCB 相对于参考铜板的位置，这个位置等同于测试状态，参考图 10。此时测试场景基本上还原在 3D 场模型中。

 

 

俯视图

 

前视图

图 10 PCB 及线缆集成模型

 

采用频域求解器对该 3D 场模型进行网格剖分及求解。线缆和 PCB 可以适当局部网格加密。仿真频率范围0-180MHz，铜板面边界设置成电边界，其余各面边界设置成 open。

 

3.4 传导干扰系统仿真模型

3.4.1 开关电源模型的建立

本案例中开关电源芯片（型号：MPQ4420AGJ），由于是集成芯片，官网提供的 PSPICE 模型，不具备关键的 EMC 噪声参数，因此并不能作为 EMC 仿真的输入。CST 模型库中自带的开关电源模型，可以对 MPQ4420 进行模拟，注意要选择和电源芯片同一类型的电源模型。这里 MPQ4420AGJ 是同步降压型芯片，可以选择DCDC_Conv_Buck_Sync 这个模型作为参考来创建开关电源的模型。

 

 

图 11 cst Buck 电路模型

 

开关频率 410kHz，40%duty,输出电压 5V。为了使开关节点处的 VSW 仿真波形与实测波形相匹配，等效电路 中 加 入 了 寄 生 参 数 ， 图 12 是 CST 中的开关波形设置 ：

 

 

 

 

图 12 开关波形设置

 

比对开关 Vds 信号的实测和仿真信号波形，如图 13，两者非常接近，到此为止完成了开关电源等效模型的建立。

 

 

图 13 Vds 测试波形（左）和仿真波形（右）

 

输出 5V 电压波形如图 14：

 

图 14 输出 5V 电压信号

 

3.4.2 传导发射场路协同模型的建立

在系统级 EMC 仿真中，CST 提供了场路协同的仿真方法。在 3D 中创建的传导发射模型，经过 CST 频域求解器计算，拿到 S 参数的结果。然后在 CST 的电路工作室中，把每一个端口对应器件添加上去，包括电容、电感、电阻、MOS 管等，如图 15 所示。为了确保模型的准确，电容、电感等器件模型，推荐使用官方提供的Spice 模型。

 

 

图 15 传导发射系统场路协同模型

 

创建瞬态仿真任务。如前所述，若要确定 180MHz，如前所述， LIN 信号 的采样点数量需要满足采样定理要求，此处我们采样点设置为 50 万。

 

 

图 16 传导干扰仿真瞬态仿真任务设置

 

我们通过探针来获取 LISN 模型 50ohm 电阻上耦合到的干扰电压。将此时域信号做 EMI Receiver 处理。EMI receiver 是 CST 2023 EMC 仿真中非常重要的功能，它可以完美的模拟 CE 的测量过程，根据不同的测试频段选择合适的 RBW，并支持 PK， AV， QP 等不同的检波方式。

 

 

图 17 CST EMI 接收机设置

 

在这里根据车厂传导干扰检波标准，在 30M 前设置分辨率带宽 RBW=9kHz，30M-108M 设置 RBW=120KHz。仿真得到峰值结果如图 17：

 

 

图 17 传导干扰仿真结果

 

4 仿真结果与实测结果对比

为了探究仿真结果的正确性，针对嵌饰背光板系统，按照车厂传导发射试验标准进行测试。测试场景可参考图 8。

 

图 18 中，蓝色线是测试 LISN+端 50ohm 电阻传导干扰的峰值，绿色线是 LISN+端 50ohm 电阻传导干扰平均值，红色线是仿真出的 LISN+端 50ohm 电阻传导干扰的峰值。

 

 

图 18 传导干扰仿真结果与实测结果对比

 

从结果可以看到，所搭建的传导干扰仿真模型，激励源选择及采样较为准确，在整个测试频率范围内，仿真与实测结果贴合较好。仿真结果准确预测了传导干扰的变化趋势，并且在高频处预测到了高频谐振点。该仿真结果对测试结果有一定的借鉴指导意义。

 

5 结论

本文以达索三维全波电磁仿真工具 CST 为载体，针对汽车内饰车门嵌饰背光板传导干扰电压法仿真预测问题，在电磁仿真预测体系中，建立了包含干扰源、耦合路径、接收机三要素的电磁仿真数学模型。通过场路协同方法，探究了传导干扰的仿真结果。仿真结果与实测结果对比，该仿真方法能准确预测传导干扰的变化趋势，预测到高频谐振点。是一种有实用价值的传导发射电磁兼容性能预测和评估的方法。

 

仿真和预测还存在一定的差距。在后续的电磁仿真的研究上，实验验证无源器件的电磁特性；等效模型代入芯片及其外围电路，通讯信号采用编程的信源码等等都会一定程度上提升仿真的效率及精度。这些对模型及激励源的完善措施需要深厚的微波、电路、数学和物理学等理论基础以及丰富的工程实践经验，需要工程技术人员的深度合作和携手并进。

 

资料来源：达索官方