實(shí)現(xiàn)成功EMC測(cè)試的10個(gè)技巧

　　引言

　　汽車行業(yè)及各家汽車制造商必須滿足多種電磁兼容性（EMC）要求。比如：其中有兩項(xiàng)要求是確保電子系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過多的電磁干擾（EMI）或噪聲，以及必需能夠免受其他系統(tǒng)所產(chǎn)生之噪聲的影響。本文探究了部分此類要求，并介紹了一些可用于確保設(shè)備設(shè)計(jì)符合這些要求的技巧和方法。

　　EMC要求概述

　　CISPR25是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，其提出了幾種配有建議限值的測(cè)試方法，用以對(duì)某個(gè)即將安裝到汽車上的組件所產(chǎn)生的輻射發(fā)射進(jìn)行評(píng)估。除了CISPR25為制造商提供的指導(dǎo)之外，大多數(shù)制造商還擁有一套自己的標(biāo)準(zhǔn)作為CISPR25指導(dǎo)準(zhǔn)則的補(bǔ)充。CISPR25測(cè)試的主要目的是確保即將安裝到汽車中的組件不會(huì)干擾車內(nèi)的其他系統(tǒng)。

　　CISPR25要求執(zhí)行測(cè)試的房間里的電磁噪聲電平必須至少比實(shí)測(cè)的最低電平低6dB。由于CISPR25具有其期待噪聲電平低至18dB（μV/m）的場(chǎng)所，因此需要一個(gè)低于12dB（μV/m）的環(huán)境噪聲電平。作為參考，這大約相當(dāng)于距離天線1km以外的一個(gè)典型AM廣播電臺(tái)的場(chǎng)強(qiáng)。

　　在當(dāng)今的環(huán)境中，滿足該要求的唯一辦法就是在一個(gè)專為把測(cè)試環(huán)境與外界電磁場(chǎng)加以屏蔽而設(shè)計(jì)和建造的特殊房間里進(jìn)行測(cè)試。此外，由于正常的預(yù)算都要求對(duì)測(cè)試室的大小做一定的限制，故而應(yīng)避免測(cè)試環(huán)境遭受測(cè)試室內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)反射的不良影響，這一點(diǎn)很重要。于是，測(cè)試室的墻壁必須鑲嵌有某種不會(huì)反射電磁（EM）波的材料（圖1）。測(cè)試室的造價(jià)十分昂貴，其通常是按小時(shí)來(lái)租用的。為了節(jié)省成本，最好是在設(shè)計(jì)階段即對(duì)EMC/EMI問題進(jìn)行評(píng)估，從而在測(cè)試室中實(shí)現(xiàn)一次成功。

　　圖1

　　另一種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是ISO{{11452:0}}-4大電流注入（BCI）系列測(cè)試，其用于驗(yàn)證某個(gè)組件是否受到了窄帶電磁場(chǎng)的不利影響。測(cè)試是通過利用一個(gè)電流探針將擾動(dòng)信號(hào)直接感應(yīng)到線束中來(lái)進(jìn)行的。

　　一、保持小的環(huán)路

　　當(dāng)存在一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，一個(gè)由導(dǎo)電材料形成的環(huán)路充當(dāng)了天線，并且把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為圍繞環(huán)路流動(dòng)的電流。電流的強(qiáng)度與閉合環(huán)路的面積成正比。因此，應(yīng)盡量地避免環(huán)路的存在，并使必要的封閉區(qū)域的面積盡可能地小。比如，當(dāng)有差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，就可能存在一個(gè)環(huán)路。在采用差分線路的發(fā)送器和接收器之間會(huì)形成一個(gè)環(huán)路。

　　另一種常見的環(huán)路出現(xiàn)在兩個(gè)子系統(tǒng)共用某個(gè)電路的場(chǎng)合，也許是一臺(tái)顯示器和負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)該顯示器的引擎控制電路（ECU）。在汽車底盤中有一根公共的接地（GND）線，即顯示端和系統(tǒng)的ECU端至該GND的一根連接線。當(dāng)視頻信號(hào)連接至具有其自己的接地線的顯示器時(shí)，會(huì)在接地平面的內(nèi)部形成一個(gè)巨大的環(huán)路。在有些場(chǎng)合中，此類環(huán)路是不可避免的。然而，通過在至地的連接線中引入一個(gè)電感器或鐵氧體磁珠，雖然DC環(huán)路仍然會(huì)存在，但是從RF輻射的角度來(lái)看，這個(gè)環(huán)路被斷開了。

　　另外，當(dāng)通過雙絞線電纜傳送信號(hào)時(shí)，每對(duì)差分驅(qū)動(dòng)器/接收器都將形成一個(gè)環(huán)路。一般地，由于雙絞線是緊密耦合的，因此對(duì)于鏈路的電纜部分而言該環(huán)路的面積很小。不過，一旦該信號(hào)到達(dá)電路板，則應(yīng)保持緊密耦合以避免擴(kuò)大環(huán)路面積。

　　二、旁路電容必不可少的

　　CMOS電路非常受歡迎，部分原因即在于其擁有高速度和非常低的功率耗散。理想的CMOS電路僅在其改變狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)電容需要充電和放電時(shí)消耗功率。從電源的觀點(diǎn)來(lái)看，平均流耗為10mA的CMOS電路在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換期間吸收的電流可能要高出許多倍，而在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換周之間的流耗則非常低甚至為零。因此，輻射限制方法重點(diǎn)關(guān)注的是電壓和電流的峰值，而不是平均值。

　　在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換過程中從電源至芯片電源引腳的電流浪涌是一個(gè)主要的輻射源。通過在每個(gè)電源引腳的附近布設(shè)一個(gè)旁路電容器，在時(shí)鐘脈沖邊沿期間為芯片供電所需的電流將直接由該電容器提供。隨后，在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換周期之間該電容器上的電荷利用一個(gè)較低、較穩(wěn)定的電流來(lái)積聚。較大的電容器適合于提供電流的激增，但對(duì)于高速要求的反應(yīng)能力欠佳。非常小的電容器能夠?qū)π枨笞龀隹焖俜磻?yīng)，但是它們的總電荷容量有限并且很快就會(huì)耗盡。對(duì)于大多數(shù)電路來(lái)說(shuō)，最佳的解決方案是將不同大小的電容器并聯(lián)混用（也許是1μF和0.01μF電容器的并聯(lián)）。把較小的電容器布設(shè)在非?？拷骷娫匆_的地方，而較大的電容器則可安放在距離電源引腳遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方。

　　三、良好的阻抗匹配可最大限度地降低EMI

　　當(dāng)高速信號(hào)通過一根傳輸線傳送并在該傳輸線上遇到了特征阻抗的變化時(shí)，部分信號(hào)將被反射回信號(hào)源，部分這信號(hào)將沿著原來(lái)的方向繼續(xù)傳送。反射將導(dǎo)致輻射，一點(diǎn)是不會(huì)改變的。為了實(shí)現(xiàn)低EMI，必需遵循合適的高速設(shè)計(jì)慣例。有大量上佳的資源為您提供了有關(guān)傳輸線設(shè)計(jì)的信息。這里給出了一些在設(shè)計(jì)傳輸線時(shí)建議采取的預(yù)防措施：

　　請(qǐng)記住，在接地平面和信號(hào)走線之間存在信號(hào)。輻射可以由信號(hào)走線或接地平面的中斷所引起，因此應(yīng)留意信號(hào)走線下方的接地平面切口或中斷。

　　設(shè)法避免在信號(hào)走線的排布當(dāng)中出現(xiàn)銳角。精巧彎曲的拐角要比直角轉(zhuǎn)彎好得多。

　　通常，F(xiàn)PD-Link信號(hào)將讓組件對(duì)其進(jìn)行分接；例如：同軸電纜供電、電源連接、AC耦合電容器，等等。為了最大限度地減少這些組件上的反射，可嘗試使用諸如0402規(guī)格的小型組件，并把走線的寬度設(shè)定得與0402組件焊盤的寬度相同。而且，還務(wù)必通過控制疊層中的電介質(zhì)厚度來(lái)設(shè)定走線的特征阻抗。

　　四、屏蔽

　　應(yīng)采用優(yōu)良的屏蔽方法，在這一點(diǎn)上沒有捷徑可走。當(dāng)以最大限度地減少輻射為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需在會(huì)引發(fā)問題的電路部分的周圍實(shí)施屏蔽。雖然它仍有可能輻射能量，但是良好的屏蔽能夠捕獲輻射并在它們從系統(tǒng)逸出之前將其發(fā)送至地。圖2示出了屏蔽是如何控制EMI的。

　　圖2

　　屏蔽可以采取多種形式。也許簡(jiǎn)單到把某個(gè)系統(tǒng)封閉在一個(gè)導(dǎo)電外殼之中，或者，也可能是采用一個(gè)焊接在輻射源上方的精加工的小型定制金屬外殼。

　　五、簡(jiǎn)短的接地線

　　流入一顆芯片的所有電流都將再次從該芯片流出。本文中介紹的幾個(gè)技巧都談到了這樣一點(diǎn)，就是至芯片的連接線必需簡(jiǎn)短，比如：旁路電容器要靠近IC、應(yīng)保持小的環(huán)路等。然而，接地電流返回其來(lái)源所必須經(jīng)由的路徑則常常被遺忘。在理想的情況下，電路板的一層是專門用于接地的，至GND的路徑比一個(gè)過孔長(zhǎng)不了多少。然而，有些電路板布局在接地平面中有切口，因而會(huì)迫使接地電流經(jīng)由一條很長(zhǎng)的路徑從芯片返回電源。當(dāng)GND電流通過該路徑傳輸時(shí)，它就充當(dāng)了一個(gè)發(fā)送或接收噪聲的天線。

　　六、速度不要超過所需的水平

　　業(yè)界有這樣一種傾向，就是擔(dān)心時(shí)序裕度并采用盡可能快的邏輯器件來(lái)提供最佳的時(shí)序裕度。不幸的是，非?？斓倪壿嬈骷哂卸盖偷拿}沖邊沿和甚高頻成分，會(huì)產(chǎn)生EMI。降低系統(tǒng)EMI量的一種方法是使用速度盡可能低但仍將滿足時(shí)序要求的邏輯器件。許多FPGA允許把驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置在較低的水平，這是一種降低邊緣速率的方法。在某些場(chǎng)合中，可采用邏輯線上的串聯(lián)電阻器來(lái)減低系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換速率。

　　七、電源線電感器

　　在第二個(gè)技巧中我們討論了，可以將旁路電容器用作降低電流浪涌影響的手段。電源線上的電感器則是同一個(gè)問題的另一個(gè)方面。通過在電源線上布設(shè)電感器或鐵氧體磁珠，將強(qiáng)制連接至該電源的電路從電容器（而不是大老遠(yuǎn)地從電源）來(lái)滿足其動(dòng)態(tài)功率需求。

　　八、在開關(guān)電源的輸入端上布設(shè)電容器

　　在尋求解決EMI問題時(shí)，一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的主題是在可能的情況下降低dv/dt和/或di/dt。關(guān)于這一點(diǎn)，DC/DC轉(zhuǎn)換器也許看似完全沒有危害，直到人們意識(shí)到其并非直接完成從DC至DC的轉(zhuǎn)換，而是從DC至AC再到DC。因此，處在轉(zhuǎn)換中間階段的AC有可能引起EMI問題。

　　汽車設(shè)計(jì)人員擔(dān)心產(chǎn)生干擾的地方在于AM無(wú)線電波段。絕大多數(shù)汽車都配備了一臺(tái)AM收音機(jī)，其具有一個(gè)可調(diào)諧頻率范圍為500kHz至1.5MHz的非常靈敏的高增益放大器。如果某個(gè)組件發(fā)射了處在該頻段之內(nèi)的信號(hào)，將很有可能在AM收音機(jī)里聽到。許多開關(guān)電源所采用的開關(guān)頻率就位于此頻段內(nèi)，從而在汽車應(yīng)用中導(dǎo)致問題的發(fā)生。因此，大多數(shù)汽車開關(guān)電源都采用高于該頻段的開關(guān)頻率－通常是在2MHz或者更高。假如在開關(guān)電源的輸入端或輸出端上未提供充分的濾波，那么部分此類開關(guān)噪聲就會(huì)進(jìn)入其他也許對(duì)基頻或次諧波頻率很敏感的子系統(tǒng)。

　　九、密切注意諧振

　　對(duì)于各種不同的干擾源，已規(guī)定利用電感器和電容器來(lái)緩解有可能導(dǎo)致EMI的dv/dt和di/dt問題。然而，電感器和/或電容器會(huì)具有與自諧振有關(guān)的不良特性。這個(gè)問題常常可以通過增設(shè)一個(gè)與電感器并聯(lián)的電阻器來(lái)糾正，該電阻器可吸收振蕩所產(chǎn)生的能量，從而避免其變大到足以引發(fā)問題的地步。當(dāng)存在一個(gè)通向某個(gè)帶有旁路電容器的組件的串聯(lián)電感器（一個(gè)分立的組件或者一個(gè)源自電源線的寄生電感）時(shí)，就會(huì)引發(fā)另一個(gè)潛在的問題。由此形成的L-C電路有可能在諧振頻率上振蕩。同樣，這個(gè)問題也可以利用一個(gè)電阻器（通常是與該電感器并聯(lián)）加以解決。

　　十、擴(kuò)頻計(jì)時(shí)可降低峰值輻射

　　對(duì)于FPD-Link串化器或解串器（SerDes）等組件而言，常常存在一個(gè)具有擴(kuò)頻計(jì)時(shí)選項(xiàng)的數(shù)據(jù)總線和時(shí)鐘。在擴(kuò)頻計(jì)時(shí)中，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。結(jié)果是把由時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖邊沿產(chǎn)生的能量散布在比其必需占用的頻段更寬的頻率范圍內(nèi)。由于EMI規(guī)范被設(shè)置為限制某個(gè)頻段內(nèi)的任何頻率上的峰值輻射，因此把噪聲散播在較寬的頻段內(nèi)可幫助大幅減少噪聲峰值。DS90UB914A-Q1是一個(gè)很好的解串器實(shí)例，它常常與DS90UB913A-Q1串化器一起使用。這些器件用于在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中的攝像機(jī)和處理器之間提供視頻鏈接。該解串器負(fù)責(zé)恢復(fù)攝像機(jī)中的圖像傳感器提供給串化器的時(shí)鐘，并將該時(shí)鐘與數(shù)據(jù)一起輸出以供處理器使用。與一個(gè)高速時(shí)鐘同時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作的10或12根高速數(shù)據(jù)線是引發(fā)EMI的一個(gè)主要來(lái)源。為了降低該EMI，DS90UB914A具有一種使用擴(kuò)頻時(shí)鐘和輸出數(shù)據(jù)（而不是圖像傳感器提供的低抖動(dòng)時(shí)鐘）的選項(xiàng)。該擴(kuò)頻時(shí)鐘通過解串器中的寄存器來(lái)控制。

　　結(jié)論

　　由于汽車越來(lái)越多地依賴電子產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)不限于娛樂和舒適功能的關(guān)鍵型汽車運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對(duì)于在存在干擾的情況下執(zhí)行無(wú)差錯(cuò)操作以及不對(duì)車內(nèi)的其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的需求日漸攀升。通過遵循本文所概述的技巧和方法，以及選擇合適的組件，工程師們就可以設(shè)計(jì)穩(wěn)健型系統(tǒng)，從而使汽車系統(tǒng)能夠不受EMI問題的干擾而可靠地工作。