Le nostre automobili stanno diventando sempre più connesse e dipendenti dalla connettività wireless; allo stesso tempo, il numero di sistemi interni ad elevata potenza di calcolo sta rapidamente aumentando. Come qualsiasi sistema elettronico digitale complesso e ad alta velocità, l’elettronica automobilistica può essere sia una causa di interferenze elettromagnetiche anche ad elevata sensibilità e le conseguenze di un guasto possono essere fatali. In questo articolo discutiamo sulle fonti EMI e sui passi che gli ingegneri possono fare per identificare, isolare e ridurne l’impatto. L’articolo evidenzia un prodotto in grado di caratterizzare le prestazioni EMI con elevata precisione: il ricevitore EMI PXE dal portafoglio di test e misura di Keysight Technologies.

Nel 1915 fu pubblicato un libro – “The model T Ford car, its construction, operation and repair” di Victor W. Page. Spiegava i “principi operativi di tutte le parti dell’automobile” e si estendeva a sole 302 pagine (con pubblicità). Quanto sarebbe grande il libro per descrivere i principi di funzionamento di un’auto moderna? Solo le oltre 100 milioni di righe di codice in oltre 100 processori integrati riempirebbero circa 10.000 libri. La complessità delle auto oggi è estrema con sistemi elettronici interconnessi di funzionalità, controllo, sicurezza, assistenza alla guida, comunicazione e infotainment.

L’immagine diviene ancora più complicata quando sono incluse le interazioni “V2X”: Vehicle-to-Vehicle, Vehicle-to-Infrastructure, Vehicle-to-Person and Vehicle-to-Network. Con una guida semi o completamente autonoma, i problemi di complessità e sicurezza si moltiplicano ulteriormente.

È chiaro che mantenere un veicolo pesante carico di carburante infiammabile o batterie ad alta energia al sicuro ad alta velocità richiede che tutti i sistemi di bordo si interfaccino correttamente senza sorprese. Mentre i più alti livelli di disciplina ingegneristica nella progettazione possono definire e controllare le interfacce elettriche e meccaniche, gli effetti elettromagnetici e la compatibilità (EMC) sono molto più difficili da prevedere. Le conseguenze dell’interferenza con il sistema possono essere disastrose: ci sono state segnalazioni di airbag che si dispiegavano in maniera improvvisa e imprevedibile, innescati da trasmissioni RF di veicoli di servizi di emergenza e sistemi di gestione del motore e di controllo della velocità di crociera che richiedevano al comando dell’acceleratore il “full gas” quando sottoposti ad EMI. [boris]

Sono quindi necessari progetti robusti per garantire la compatibilità elettromagnetica del sistema insieme alla verifica mediante simulazione e test agli standard di conformità automotive.

Un approccio coerente per testare attraverso gli standard internazionali

Mentre le buone norme di progettazione ed uso degli strumenti di simulazione EMC / EMI possono ridurre al minimo la suscettibilità e le emissioni EMI di un sistema elettronico, le prestazioni sono spesso influenzate dalle condizioni di installazione e dalle interconnessioni con altre apparecchiature. Con componenti, moduli e sottosistemi provenienti da fornitori diversi, le singole proprietà EMC possono essere caratterizzate solo in condizioni “standard” concordate, che potrebbero non corrispondere all’ambiente EMC / EMI previsto. La conformità a tutti i livelli di componenti, moduli e sistemi è comunque un buon punto di partenza.

L’obiettivo finale è ottenere la certificazione del veicolo secondo gli standard pertinenti, tra cui EMC, con un marchio “E”, obbligatorio nell’UE e in altri paesi che hanno aderito al sistema. Il marchio E è applicato a componenti, entità tecniche (STU, separate technical units) e sottogruppi elettrici (ESA, electrical sub-assemblies) nonché al veicolo completo. Per la maggior parte dei paesi, lo standard EMC automobilistico rilevante è il regolamento delle Nazioni Unite ECE R10, attualmente in revisione 5, che copre anche i requisiti EMC per i veicoli elettrici (EV) e ibridi-elettrici (HEV). Per gli Stati Uniti, la Society of Automotive Engineers (SAE) e gli OEM del settore automobilistico definiscono gli standard. Questi generalmente fanno riferimento a standard internazionali per limiti EMI e metodi di prova, come definiti da ISO, IEC, CISPR e documenti ANSI americani. Altri paesi, come l’India e la Cina, hanno requisiti locali. Anche i produttori di veicoli hanno i loro standard interni, spesso con specifiche più rigorose, come Ford CS2009, Chrysler-Fiat CS-11979 o Nissan NDS02.

L’ambiente automobilistico è ostile, con emissioni condotte e irradiate da convertitori e linee dati ad alta potenza, nonché transitori e cali di carico e picchi di corrente, e le nuove tecnologie e condizioni operative automobilistiche si stanno aggiungendo all’onere ed i relativi standard di prova devono evolversi. Ad esempio, i requisiti EMC ECE R10 ora distinguono tra veicoli elettrici nelle stazioni di ricarica o su strada. Inoltre, l’introduzione di nuove tecnologie RF come i sistemi radar per autoveicoli a 24/77/79 GHz e la connettività 5G, che possono funzionare anche tra 24 e 86 GHz, richiedono una verifica della compatibilità tra di loro e i sistemi automobilistici esistenti.

L’applicazione delle norme EMC e l’impiego di agenzie di certificazione per ottenere la marcatura elettronica per componenti e sottogruppi, con simulazione di supporto, documentazione di prova e controllo di qualità della produzione sono obbligatori – e necessari, poiché un guasto EMC a livello di veicolo può essere estremamente costoso da correggere.

L’ambiente EMC

I problemi di compatibilità elettromagnetica spaziano tra tutti i sistemi nelle applicazioni automobilistiche, dagli azionamenti dei motori di trazione in veicoli elettrici alla connessione Bluetooth^TM per il sistema di infotainment, coinvolgendo l’intero spettro RF da kHz a GHz (Figura 2).

L’EMI è classificato in quattro aree, emissioni condotte / irradiate e suscettibilità condotta / irradiata, con i loro standard e limiti di conformità specifici.

Le emissioni condotte possono essere misurate in condizioni di laboratorio aperte, ma le misure delle irradiate richiedono un sito di prova ad area aperta (OATS) o una camera anecoica per eliminare segnali spuri. Prendendo ad esempio le emissioni irradiate, ECE R10 si riferisce a CISPR 16 per le emissioni a banda larga e stretta tra 30 MHz e 1 GHz con i limiti mostrati nella Figura 3 per veicoli interi a 10 m (a sinistra) e ESA / componenti (a destra). La larghezza di banda della risoluzione di misura è di 120 kHz.

Le specifiche statunitensi potrebbero fare riferimento agli standard ANSI C63.2 e C63.4 rispettivamente per i metodi di misura delle emissioni e la strumentazione, coprendo la gamma da 9 kHz a 50 GHz. La chiave per la misura delle emissioni condotte e irradiate è un ricevitore EMI conforme ai requisiti CISPR 16. Le caratteristiche specifiche necessarie sono un metodo di rilevamento del segnale selezionabile e la larghezza di banda della risoluzione di misura (RBW, resolution bandwidth), ovvero la capacità della misurazione di separare i componenti dello spettro. L’RBW varia tra gli standard e può essere compresa tra 9 kHz e 1 MHz. I ricevitori EMI offrono diverse opzioni per il rilevamento del segnale come definito dal CISPR 16: in base allo standard applicabile, viene selezionato un rivelatore “picco”, “quasi-picco” o “medio”, ciascuno con costanti di tempo di rilevamento diverse da più o meno attenuate componenti casuali o non ripetitive del segnale misurato. Quasi-peak, ad esempio, viene pesato in base alla frequenza di ripetizione del segnale e il ricevitore deve soffermarsi sulla frequenza misurata per consentire al rivelatore di valutare questo parametro. Il picco, tuttavia, è una misurazione quasi istantanea, quindi il tempo di permanenza è inferiore e mostrerà sempre una risposta maggiore rispetto al quasi-picco o alla media. Quindi, se le linee limite vengono soddisfatte con il rilevamento del picco, allora tutto va bene. Se il rilevamento dei picchi non supera i limiti, non c’è altra scelta che utilizzare quasi-picco e media per provare a mostrare la conformità: una misura molto lenta con i tradizionali progetti dei ricevitori.

Le nuove tecniche del ricevitore riducono drasticamente i tempi di misura

Le nuove tecniche del ricevitore possono tuttavia rendere i tempi di picco, quasi-picco e medi molto più veloci. Il ricevitore EMI PXE di Keysight Technologies utilizza tecniche di “radio definite dal software” in cui la tradizionale “frequenza intermedia” di un classico ricevitore “super heterodyne” viene digitalizzata direttamente con tutte le funzioni di filtraggio, rilevamento e amplificazione eseguite da un processore di segnale digitale (DSP). I vantaggi sono: una maggiore precisione di misura, una migliore ripetibilità, un migliore fattore di forma del filtro e la capacità di eseguire una Fast Fourier Transform (FFT) del segnale digitale che a sua volta consente un “Time Domain Scan” o TDS. Questa tecnica può accelerare drasticamente il rilevamento di picchi, quasi-picchi e medie, soffermandosi solo una volta alla larghezza di banda dell’operazione FFT, che è 59 MHz per il PXE Keysight o 350 MHz in modalità “TDS accelerato”. Ciò comprende centinaia se non migliaia di valori RBW e la velocità è ulteriormente migliorata dalla riduzione del numero di scansioni totali, che richiede un minor numero di passaggi dell’oscillatore locale e ritardi di re-lock associati.

Ad esempio, usando il PXE di Keysight, una scansione quasi-picco da 30 MHz a 1 GHz come nella figura precedente, per quattro posizioni di antenna, impiegherebbe circa 36 ore usando le tradizionali tecniche di scansione a gradini. Con il PXE di Keysight questo si riduce a meno di 40 secondi.

La gamma di ricevitori PXE (Figura 5) copre da 2 Hz a 26,5 GHz nel pieno rispetto delle norme CISPR 16-1-1: 2015, MIL-STD-461G (2015) e ANSI C63.2 EMC e può essere utilizzata per i test normativi in congiunzione con accessori e siti di prova conformi. Gli utenti trovano anche il PXE indispensabile per i test di pre-conformità per ridurre il rischio di costosi fallimenti dei test house delle agenzie. L’accuratezza dell’ampiezza è di +/- 0,2 dB a 1 GHZ con una sensibilità al top del settore di -169 dBm / Hz a 1 GHz. Il funzionamento è intuitivo con un sistema operativo basato su Windows ^TM 10 e un’interfaccia utente multi-touch.

Servizi di Test

Alcuni utenti potrebbero voler integrare i test interni con i servizi di test automobilistici dedicati, soprattutto quando le scadenze sono strette, riducendo i costi e il time-to-market. Keysight Technologies offre tale servizio nella sua struttura di prova accreditata a Boeblingen, in Germania, e presto aprirà un nuovo sito nella Silicon Valley. Gli utenti riducono al minimo i rischi legati all’acquisizione dell’hardware di test e hanno accesso alla consulenza e alle competenze EMC in materia di standard e metodologia di prova, insieme ad attrezzature all’avanguardia. Il servizio è offerto su una base “pay-per-use”, riducendo ancora costi e rischi, con test di pre-conformità e di conformità normativa completa a Boeblingen per una vasta gamma di standard EMC, di sicurezza dei prodotti e di sicurezza ambientale, tra cui la “E -mark” per l’EMC automotive.

I servizi di consulenza comprendono la progettazione e la simulazione 3D con supporto attivo per facilitare l’impostazione della simulazione e sviluppare strategie di test. È inoltre possibile includere test di regressione e risoluzione dei problemi alla radice da parte di esperti EMC. Gli strumenti software disponibili sono: Genesys^TM per sintetizzare e simulare schede e sottosistemi RF, ADS^TM per generare progetti front-end ed eseguire simulazioni, GoldenGate^TM per creare layout RF e verificare il design back-end, EMPro^TM per progettare antenne e analizzare EM / EMI 3D / Effetti EMC e SystemVue^TM per simulare sistemi virtuali ed eseguire la verifica a livello di sistema.

Conclusione

La valutazione della compatibilità elettromagnetica tra una vasta gamma di sistemi diversi nelle applicazioni automobilistiche è un compito scoraggiante. La posta in gioco è alta per il time-to-market degli OEM e la sicurezza degli utenti è a una priorità ancora più alta. L’utilizzo della serie PXE di ricevitori EMI di Keysight Technologies garantisce la massima precisione di misura alle velocità più elevate, supportate da un servizio di test e consulenza che accompagna gli utenti dalla progettazione iniziale al collaudo completo secondo le normative.[/boris]