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电磁干扰对汽车智能动力装置功能安全的影响
温克勒·奥夫，卡斯特纳(德国)
摘要
集成智能功率器件在汽车系统领域中越来越受到重视。除了功率晶体管外，这些设备通常还包含几种综合诊断和保护功能。在发生故障时，这些功能使连接的控制单元能够作出适当的反应，保护应用程序，从而保护人员。智能动力装置通常负责车辆内的重要任务，现在越来越多地被用来代替传统的元件，如熔断器、继电器和开关。在操作过程中，它们经常暴露在恶劣的环境条件下，如高温、机械应力等，同时也会产生不同的电磁干扰(EMI)，从而影响其正常的功能。特别是在安全关键的应用中，如安全气囊控制模块或防抱死制动系统，其正确的功能对于避免危险的操作条件和保证功能安全具有非常重要的意义。本文通过对一种具有代表性的智能功率高侧开关的电磁干扰的研究，说明了电磁干扰的程度，智能功率器件仍然能够正确地检测出临界故障状态，并保持在其故障保护状态。
关键词:智能功率半导体; 射频干扰(RFI); 功能安全; 电磁兼容性(EMC);
电磁干扰(EMI);ISO 26262;直接功率注入(DPI);IEC 62132;自主驾驶；
汽车和电器工程在现代汽车行业被广泛使用为“智能电力设备”。这里同时也包括许多综合诊断与保护功能。在故障时，这些功能都能让联系控制装置采取相应的反应，保护应用，从而保护人们。智能电力装置常常在一辆车里起到关键的作用，如今人们越来越多地使用它来代替传统的装置，更换继电器和开关。在行动期间，他们常常受到极为恶劣的环境影响，比如不快、机械压力等。同时还可能产生各种电磁波干扰，这种干扰可能会干扰仪器的正常功能。在安全应用程序中，如安全气罐控制插件和防干扰系统，为了避免危险的运作状况和功能的安全性，功能才是最重要的。
通过对具有代表性的智能功率高侧开关的干扰测试，说明电磁干扰智能功率器件在多大程度上仍能正确检测出。
关键词：智能电源半导体；电磁干扰；射频干扰；功能安全；电磁兼容性；电磁干扰；iso 26262；
德意志曼，德国，格拉茨理工大学电子研究所(IFE)，Inffeldgasse 12/I, 8010 Graz，奥地利(电子邮件:bernd.deutschmann@tugraz.at);温克勒,冈特，格拉茨理工大学电子研究所，Inffeldgasse 12/I，8010格拉茨，奥地利(电子邮件:gunter.winkler@tugraz.at);Kastner, Paul，研究所电子(IFE)，格拉茨科技大学，Inffeldgasse 12/I, 8010格拉茨，奥地利(电子邮件:paul.kastner@student.tugraz.at)
2018年6月14日收到，2018年7月9日接受，2018年7月12日在线发布。
1导言
自从四十多年前在车辆上引入第一个电子控制单元(ECU)以来，其数量已成倍增加。汽车从完全机械转向电动为主的汽车的发展趋势是势不可挡的。因此，现代汽车拥有多达150个电子控制单元，并包含十几个或更多的处理器来控制和调节汽车的功能，这一点也就不足为奇了。这类电子系统从发动机管理、传输控制和内部娱乐系统到安全相关系统，如中断或安全气囊部署控制，应有尽有。例如，智能电子系统可以帮助我们保持与前方车辆的距离，自动将车辆停放在停车位，或在交通危险的情况下警告我们。然而，实现这一目标的先决条件是，各控制单元正常工作，不受电磁干扰等因素的影响。确保这不仅对它们的电磁兼容性(EMC)提出了很高的要求，尤其是对它们的功能安全提出了很高的要求。[1–3]因此，系统和所使用的电子元件的设计必须在极短的时间内检测和处理关键错误，以尽量减少危险情况和故障的风险。与安全有关的电子系统必须按照国际标准iso 26262等适用的法规开发，该标准规定了汽车零部件的功能安全要求。[4–6]本标准描述与安全相关的电气/电子系统从概念阶段到退役的整个产品生命周期。为了确保汽车零部件和车辆的兼容性，必须满足各种EMC标准。ECU在其最大允许电磁辐射或电磁抗干扰能力方面是否符合要求的限值，必须通过大量的表征方法来验证，例如CISPR 25或ISO 11452中定义的方法。[7, 8]此外，在ECU内使用的集成电路在排放和免疫方面也受到严格要求。集成电路的emc测试方法有几种，例如iec 61967和iec 62132等国际集成电路级发射和抗扰度标准。[9, 10]
不遵守或不适当地适用这些标准不仅会造成严重的法律和经济后果，如取消产品或召回产品，而且还可能危及个人的生命。
尽管对单个ECU的符合性测试的规范要求非常严格，但目前许多汽车制造商在将这些ECU作为一个完整的电子系统集成到一辆汽车上时面临着挑战和问题。这些复杂的电子系统新出现的问题导致了许多车辆在过去几年的召回。尤其是ECU的电磁兼容问题，迫使汽车制造商重新思考其系统设计，并进一步注重提高旧ECU的电磁抗扰性和功能安全性。
美国国家公路交通安全管理局(NHTS)负责制定和执行车辆安全标准和相关立法。NHTS每年都会发布详细的汽车召回信息。根据这些信息，每年召回车辆的数量以及过去21年受影响的车辆数量如图1所示。
图1. 国家公路交通安全局(NHTS)年度车辆召回数据[11]
过去几年召回量增加了约300%，加上自2014年以来受影响的车辆大幅增加，这进一步给人留下了上述问题严重程度的印象。鉴于2017年以来召回率居高不下，主要是由于“高田安全气囊召回”仍在进行中。[12]几乎所有主要汽车制造商的几种车型都受到影响，这一趋势似乎无限期地继续下去。
大量召回的潜在原因不仅与EMC问题有关，而且涉及广泛的各种问题，如废旧材料老化造成的机械问题、设计不当、电池和安全气囊燃烧电池中的化学问题，以及一般的电子和软件相关问题。然而，据[13]“今天几乎每两次召回中就有一次与电子元件有关”。
为了进一步证明电子元器件中的EMC问题会严重伤害或致死，列举了最近导致车辆召回的EMC问题的几个例子。
2012年，克莱斯勒因安全气囊问题被迫召回车辆，因为在乘员约束控制(ORC)模块上短暂的电尖峰导致了安全气囊的无意触发。[14]
类似的安全气囊问题也存在于2013年初，丰田不得不召回100多万辆卡罗拉系列汽车，原因是安全气囊控制单元(ACU)中的ASIC存在EMC问题。[15]来自NHTS缺陷信息报告的信息表明，由于感应干扰引起的内部短路可能随后触发安全气囊。这一问题导致美国18人因安全气囊部署不当而受伤。
2015年5月，三菱还因照明控制电子控制模块和挡风玻璃刮水器的电磁兼容问题，不得不召回53400辆汽车。[16]
最近历史上最著名的召回可能是丰田召回了来自世界各地的约900万辆汽车，因为2009-11年发生了意外加速汽车事件。[17]除了官方承认的脚垫问题外，与电子节气门控制系统缺陷有关的问题被确定为无法控制加速的根本原因，使司机和乘客面临极大的风险，并导致37人死亡。[18]
这些典型案例表明，EMC是汽车设计中一个具有挑战性和普遍存在的问题，集成电路、ECU和汽车制造商应该对此感兴趣，因为由于召回和昂贵的产品重新设计，缺乏足够的EMC验证可能会产生破坏性的财务影响。此外，如果没有足够的EMC验证，人类将面临受伤甚至死亡的危险。
因此，今天的电子系统必须提供最高的可靠性和稳健的操作，也是在EMI存在的情况下。特别是具有先进控制系统的自主驾驶车辆，必须可靠地解释感知信息，识别合适的、安全的导航路径。
大多数EMC标准只规定ECU在EMC测试期间必须在其正常工作状态下的行为，而不一定在被测试设备(DUT)处于故障状态(例如温度过高)时处理EMC行为。此外，对于温度这一重要的通用测试参数，emc标准通常要求在测试期间将环境温度保持在23。∘C( /-)5∘丙。[8–10, 19]然而，由于ECU一旦安装在车辆上，最终可以暴露在较宽的温度范围内，因此会产生电磁兼容行为上的漂移，应在功能安全和EMC考虑中加以考虑。[20–22]此外，在汽车应用方面经验丰富的苛刻环境条件，可能会导致汽车ECU寿命期间的功能故障。例如，高侧开关的输出线可能断开并导致底盘负载电流的短路。在这种情况下，高短路电流会使智能功率开关容易进入过温状态，从而从正常运行模式转变为故障状态模式。通常，在智能电力设备中，它们的综合诊断和保护功能应该保护设备免受热破坏，因为设备会自动关闭，并将过热故障信号传递给控制器单元。在汽车工业中，对可靠性的要求是尽可能高的，在温度过高的情况下，正确的测温是降低汽车设备损坏和火灾风险的重要功能之一。
但是，如果这么高的侧开关处于这样的故障状态，同时又发生电磁干扰，会发生什么情况呢？
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