Dobre praktyki w projektowaniu podzespołów elektronicznych w motoryzacji

Elektronika od lat wkracza w coraz więcej obszarów przemysłu i życia codziennego, stanowiąc podstawowy środek ku poprawnemu funkcjonowaniu wielu zaawansowanych technologicznie systemów, ale również najprostszych urządzeń codziennego użytku. Jednym z takich obszarów jest przemysł motoryzacyjny, a zagadnienie kompatybilności elektromagnetycznej dotyczy nie tylko podzespołów elektrycznych i elektronicznych, ale również kompletnych pojazdów. Jest to szczególnie istotne w aspekcie dynamicznego rozwoju pojazdów elektrycznych i hybrydowych, w tym również zautomatyzowanych.

Normy definiują proces oceny

Standardy bezpieczeństwa pojazdów i ich podzespołów to obszar regulowany prawnie. Zagadnienie kompatybilności elektromagnetycznej również podlega konkretnym wymaganiom technicznym. Spełnienie jedynie minimalnych wymagań obligatoryjnych opisanych w wymaganiach homologacyjnych może być niewystarczające z uwagi na dynamiczny rozwój technologiczny urządzeń i podzespołów elektronicznych. Dotyczy to obu zagadnień EMC: emisji zaburzeń elektromagnetycznych przez badane urządzenia i ich odporności na te zaburzenia.

Z definicji kompatybilność elektromagnetyczna to suma elementarnych zjawisk elektromagnetycznych, która określa zdolność do niezakłóconego działania i niezakłócania pracy innych urządzeń przez dane urządzenie elektryczne/elektroniczne. EMC ma ogromne znaczenie w kontekście bezpiecznego użytkowania pojazdów na drogach. Wyobraźmy sobie sytuację, w której pojazd przejeżdżający w pobliżu nadajnika radiowego o dużej mocy nie działa prawidłowo. Wadliwe działanie kluczowych podzespołów, takich jak np. systemy wspomagające kierowcę, może wprowadzić kierującego pojazdem w błąd i utrudnić kierowanie, zagrażając innym użytkownikom drogi. Potencjalnie źródłem zakłóceń mogących negatywnie wpłynąć na pracę pojazdu może być każde nawet najmniejsze urządzenie zainstalowane wewnątrz pojazdu, które nie spełnia wymagań EMC. Spełnienie tych wymagań stanowi niełatwe zadanie dla producentów urządzeń, jednak analiza zagadnienia na etapie projektowania urządzenia zdecydowanie je ułatwia.

Proces badań

W ramach procedury homologacji podzespołu elektrycznego/elektronicznego badaniom powinien być poddany obiekt w takim stanie, w jakim ma trafić na rynek. Ze względu na duży wpływ na bezpieczeństwo pojazdu, proces oceny EMC powinien rozpocząć się jednak znacznie wcześniej. W normie IEEE Std 1848-2020 podano wykaz czynności, które są bezpośrednio związane z bezpieczeństwem funkcjonalnym układów elektronicznych/elektrycznych. Ta lista wyjaśnia, jak właściwie zarządzać poziomami ryzyka w odniesieniu do zaburzeń elektromagnetycznych na wszystkich etapach życia produktu. Standard ten nie jest adresowany bezpośrednio do przemysłu motoryzacyjnego, jednak można go do niego zaadaptować, ponieważ pojazd jest szczególnym przypadkiem zaawansowanego technologicznie układu elektroniczno-mechanicznego.

Zapewnienie jak największego bezpieczeństwa funkcjonalnego pojazdu/podzespołu wymaga podzielenia oceny EMC na poszczególne etapy:

a) opracowanie koncepcji i wstępnej specyfikacji:

• sporządzenie listy norm EMC związanych z opracowywanym obiektem,
• opracowanie planu badań weryfikacyjnych,
• określenie charakterystycznych parametrów, interfejsów i funkcji urządzenia wynikających z jego przeznaczenia,
• określenie, jakie parametry komponentu wpływają na bezpieczeństwo pojazdu,
• rozważenie nietypowych zagrożeń degradacji funkcji urządzenia w zakresie EMC (np. wysokie natężenie pola EM – wysokoenergetyczny impuls elektromagnetyczny),
• analiza środowiska elektromagnetycznego, w którym urządzenie ma pracować,

b) projektowanie prototypu:

• stosowanie odpowiedniej filtracji i ekranowania używanych interfejsów,
• stosowanie odpowiednich materiałów do obudowy,
• określenie kluczowych elementów podzespołu i rozmieszczenie ich ścieżek na PCB,
• określenie kluczowych podzespołów pojazdu i ich rozmieszczenia w pojeździe,
• analiza, jakie rodzaje sprzężeń mogą wystąpić w urządzeniu,
• określenie celowej emisji elektromagnetycznej pod względem zakresu częstotliwości i poziomu mocy nadawczej,
• przeprowadzenie symulacji EMC w dedykowanym oprogramowaniu,

c) integracja systemu, sposób montażu:

• sporządzenie listy komponentów (BoM – bill of materials) z określonym minimalnym poziomem jakości,
• test weryfikacyjny urządzeń peryferyjnych i podzespołów urządzenia/pojazdu,
• integracja najbardziej rozbudowanego wariantu projektowanego prototypu (wyposażonego we wszystkie przewidziane urządzenia peryferyjne i interfejsy),
• analiza konsekwencji zmniejszenia liczby podłączonych urządzeń peryferyjnych i wbudowanych interfejsów,
• określenie szczegółowej instrukcji montażu pod kątem EMC (w tym montażu filtrów, rozmieszczenia komponentów, listy materiałów itp.),

d) weryfikacja zintegrowanego prototypu:

• weryfikacja zgodnie z planem przygotowanym na wstępnym etapie,
• prowadzenie niestandaryzowanych, uproszczonych testów,
• sprawdzenie poprawności montażu, ocena jakości połączeń przewodów i konektorów, weryfikacja długości i rozmieszczenia przewodów,
• przeprowadzanie testów EMC przed i po celowym starzeniu kluczowych elementów,
• weryfikację należy zakończyć stwierdzeniem, że urządzenie nie jest już prototypem, a producent zyskuje pewność przejścia obowiązkowych testów,

e) testowanie gotowego urządzenia:

• przeprowadzanie badań zgodnie z obowiązującymi normami,
• przeprowadzenie badań wg listy norm EMC wykonanej na wstępnym etapie,
• opracowanie końcowej dokumentacji technicznej,
• prowadzenie kontroli produkcji (COP) – zapewnienie powtarzalności jakości gotowego produktu,

f) działania powdrożeniowe:

• przeprowadzanie dodatkowych testów w przypadku: wszelkich modyfikacji PCB, rozmieszczenia podzespołów w pojeździe, po każdej zmianie w wykazie materiałów (zwłaszcza po tych związanych z pogorszeniem jakości komponentów),
• badania okresowe losowej próbki z linii produkcyjnej,

Zastosowanie przedstawionego schematu postępowania w praktyce wymusza zwiększenie nakładu czasu i budżetu przeznaczonego na realizację prac projektowych i wdrożeniowych, jednak, co ważne, wpływa bezpośrednio na jakość i bezpieczeństwo opracowanych rozwiązań technicznych w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Jednocześnie skraca czas uzyskania pozytywnej oceny zgodności produktu z wymaganiami prawnymi. Cały proces związany z projektowaniem i wdrażaniem produktu powinien być realizowany we współpracy z wykwalifikowaną jednostką naukowo-badawczą. Odpowiednie centrum B+R zapewnia dostęp do niezbędnej aparatury oraz doświadczonej kadry inżynierskiej, dlatego instytuty badawcze i laboratoria akredytowane, takie jak Laboratorium Elektroniki i Akustyki działające w Łukasiewicz – Przemysłowym Instytucie Motoryzacji, wspomagają producentów w całym procesie badawczo-rozwojowym.

Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Motoryzacji
https://pimot.lukasiewicz.gov.pl