Il crescente impiego dell'elettronica e di tecnologie wireless nelle automobili di ultima generazione rende sempre più difficile soddisfare gli standard di compatibilità elettromagnetica. Anche se i sottosistemi del veicolo vengono validati singolarmente, le interazioni tra di loro possono influire negativamente sul comportamento elettromagnetico dell'intero sistema e, nel peggiore dei casi, causare problemi di sicurezza. Una nuova generazione di strumenti di simulazione consente di valutare il test di compatibilità Emc dal singolo chip fino all'intero sistema veicolo. La simulazione è in grado di valutare le prestazioni Emc fin dalle prime fasi del processo di progettazione per prevenire il verificarsi di problemi in fase avanzata che potrebbero accrescere i tempi di sviluppo e i costi — e che causerebbero insoddisfazione del cliente o addirittura problemi legali — se non venissero identificati prima del lancio del prodotto sul mercato.
Emc: una sfida per i progettisti.
Le innovazioni tecnologiche nel settore automotive, come le radio digitali, i sistemi di accensione senza chiavi, i Gps, i servizi radio via satellite, il Bluetooth, il Wi-Fi e il monitoraggio della pressione dei pneumatici, hanno aumentato le criticità nella progettazione delle antenne. Al contempo, il costante incremento delle velocità di clock, la densità e complessità sempre maggiore delle strutture degli attuali circuiti integrati, dei circuiti stampati e dei connettori, fanno in modo che molti componenti possano agire come un'antenna che trasmette segnali ad altri componenti presenti nelle vicinanze. Il potenziale d'interferenza elettromagnetica è in aumento a causa del crescente numero di unità di controllo embedded, della maggiore velocità di trasferimento dei dati della diagnostica a bordo e del più elevato numero di linee controllo.
Il comportamento elettromagnetico dell'intero veicolo può essere testato solo quando il primo prototipo completo è realizzato. La risoluzione di eventuali problemi in questa fase del processo è costosa e richiede molto tempo. Inoltre è chiaro che è impossibile testare fisicamente una vettura in ogni possibile configurazione, visto che queste sono oggi quasi infinite e che la complessità dell'elettronica dietro ciascuna di queste è molto elevata. La nuova generazione di strumenti per la simulazione consente di prevedere e correggere in anticipo il maggior numero di problemi che potrebbero verificarsi in ambito elettronico. Ad esempio, la simulazione può identificare interferenze elettromagnetiche che vengono emesse dai componenti elettronici ad alta velocità; essa può anche determinare gli effetti di tale radiazione sui sottosistemi dei veicolo. Contrariamente ai test sperimentali, la simulazione permette di considerare simultaneamente gli effetti di eventuali criticità nella progettazione, come ad esempio il raffreddamento dei componenti elettronici, evitando emissioni elettromagnetiche indesiderate.
Il grafico mostra come il software di simulazione Ansys Hfss 3-D può calcolare il comportamento elettromagnetico dei componenti ad alta frequenza ed ad alta velocità. Con Hfss, gli ingegneri possono estrarre i parametri parassiti come parametri di scattering S, di ammettenza Y, e di impedenza Z, visualizzare in 3-D il comportamento elettromagnetico del campo vicino e lontano e generare modelli full-wave Spice per valutare la qualità del segnale, così come le perdite di potenza sui percorsi di trasmissione, le perdite per riflessione dovute a disadattamenti di impedenza, radiazione e accoppiamenti. La maggior parte degli ingegneri avvia l'attività di simulazione correlando modelli semplici con misure sperimentali.
Ottimizzazione del posizionamento delle Ecu
Consideriamo un esempio pratico di valutazione della ricezione Gps in differenti punti del veicolo per determinare la miglior collocazione delle Ecu. IL Gps telematico Ecu riceve il segnale trasmesso dai satelliti alla frequenza L1 (1.575 GHz), calcola la posizione attuale del veicolo e invia questa informazione attraverso la rete dati del cellulare. Per simulare il segnale Gps viene utilizzato un solutore transitorio con forzamento a polarizzazione circolare di tipo onda piana alla frequenza di 1.575 GHz incidente normalmente alla superficie del veicolo. Il campo elettrico può essere visualizzato in ogni punto e in ogni istante, mostrando le riflessioni dovute alla struttura del veicolo che provocherà interferenze, così come attenuazioni e cambi di fase. Il segnale Gps viene ricevuto con diversi angoli di incidenza. L'analisi transitoria delle diverse onde diventa molto onerosa. Un'alternativa consiste nel simulare l'efficienza di radiazione con un'antenna Gps della Ecu che trasmette un segnale L1 invece di riceverlo. L'efficienza di radiazione è il rapporto tra la potenza irradiata e quella ricevuta. La potenza irradiata è la media temporale della potenza (in watt) emessa da un'antenna strutturata attraverso una superficie di radiazione, in questo caso le pareti laterali di un'airbox che circonda il veicolo nel modello Hfss. Il grafico in coordinate polari 3-D del campo vicino e il diagramma di radiazione nelle Figg. 3 e 4 mostrano che l'efficienza di radiazione e è 83% in posizione 1 e solo 43% in posizione 2.
Simulazione degli standard Emc per l'intero veicolo.
Sono numerosi gli standard automotive definiti per condurre test in laboratorio e ridurre di conseguenza la probabilità di interferenze elettromagnetiche generate dagli apparati. Una delle normative standard più importanti è la Iso 11451-2, pensata per determinare l'immunità dei veicoli dai disturbi elettrici derivanti da fonti di radiazione esterne. Un'antenna irraggia un veicolo in una camera anecoica mentre i sottosistemi elettronici sono azionati per verificare che non subiscano interferenze nel loro funzionamento. Il prototipo e la dotazione richiesta per effettuare questo test sono molto costosi e l'analisi richiede molto tempo, riducendo le possibilità di ripetere più volte la prova durante il ciclo di sviluppo.
La sfida più impegnativa nel simulare questa analisi è il grande dominio computazionale necessario per modellare la regione d'aria. La tecnica ibrida elementi finiti/metodo integrale superficiale (Febi) aiuta a risolvere questa criticità usando l'integrale di superficie - una soluzione derivante dal metodo dei momenti (MoM) per imporre la condizione di radiazione di Sommerfeld - come condizione al contorno per la soluzione ad elementi finiti. Questo elimina la necessità di simulare la regione dell'aria fornendo un calcolo matematico esatto della condizione di radiazione far-field. Questa tecnica può essere utilizzata per realizzare simulazioni dell'intero veicolo includendo geometrie complesse e materiali dielettrici senza dover simulare le zone di aria, consentendo simulazioni accurate con l'impiego di minori risorse computazionali per l'elaborazione. La regione d'aria è stata rappresentata per l'intera stanza includendo gli elementi assorbenti sulle pareti laterali. Per questa particolare simulazione, l'89% degli elementi è stato impiegato per schematizzare l'aria. Il modello è stato rilasciato utilizzando il metodo di decomposizione del dominio di simulazione su più sottodomini che possono essere analizzati in parallelo su una piattaforma di calcolo ad alta performance con 12 nodi in 310 minuti con 75 GB di memoria Ram. Lo stesso test è stato simulato con il metodo Febi. Il grande box d'aria che include la maggior parte del modello su cui viene fatta l'analisi Fem è stato sostituito da due box d'aria più piccoli le cui superfici più esterne sono molto vicine all'antenna e al veicolo. Gli elementi porosi sono stati sostituiti con un dominio su cui è imposta un'equazione integrale che produce gli stessi risultati.
Valutazione dell'immunità dei moduli Ecu
Il metodo Febi può essere utilizzato anche per testare l'immunità dei moduli Ecu. Un Pcb connesso a un motore elettrico è introdotto nella simulazione. Il segnale trasmesso viaggia da un sensore, collocato in fondo al motore, fino al Pcb attraverso un circuito elettrico. Il cavo di controllo va dal Pcb al motore, correndo tutto intorno a questo. Il circuito elettrico è collegato a un connettore rosso a quattro vie. Uno dei connettori è saldato a una pista che inizia sul lato superiore del Pcb sul lato del connettore e passa poi attraverso una via al lato inferiore, dove è connessa a un microcontrollore. Per capire il ruolo del circuito elettrico, sono state effettuate due simulazioni con l'intera geometria, con l'auto e l'antenna sorgente. Nella prima simulazione tre cavi del circuito elettrico sono stati connessi al Pcb. Nella seconda simulazione il circuito elettrico è stato rimosso e un segnale random Can J1939 è stato applicato direttamente nel connettore all'interno del Pcb.
La determinazione dell'impatto Emc sui componenti
È necessario considerare anche l'impatto della compatibilità elettromagnetica Emc sui componenti automotive. Il funzionamento dell'airbag e dei sistemi di informazione dipende dalla velocità dell'unità microcontrollore. La velocità operativa del Mcu a sua volta dipende dalla qualità della corrente che riceve. Un design del Pcb di scarsa qualità può causare una caduta di 100+ mV e ridurre le performance Mcu da 40 MHz a 60 MHz. Il Pcb deve quindi essere progettato per assicurare buone prestazioni dell'Mcu. L'integrità della corrente coinvolge chip, package e progettazione Pcb, quindi non può essere indirizzata nei singoli domini.
I sistemi di progettazione dei package esistenti o i metodi di selezione si basano su stime di potenza del chip molto rudimentali, come la potenza totale. Per questo motivo i progettisti di Pcb spesso non hanno informazioni sulle caratteristiche transitorie del consumo di energia del chip. Ansys ha di recente acquisito Apache Design per la progettazione a bassa corrente di circuiti integrati, basato su modelli compatti come il Cpm (Chip Power Module) che si usa nelle simulazioni system-level. Il Cpm è un modello compatto di circuito Spice-equivalente che cattura la corrente di commutazione dell'intero chip, così come i parametri parassiti della rete di potenza del chip. Il modello di potenza del chip può attivare il design del package comprensivo del modello di potenza del circuito integrato e, durante la fase successiva al layout, può essere utilizzato per la verifica congiunta sia del design sia dell'ottimizzazione della rete di distribuzione di potenza Pcb.
