汽車極近場EMI掃描技術(shù)是如何降低EMI的？

汽車廠商往往采用最新的消費電子系統(tǒng)來體現(xiàn)與其他廠商汽車的差異化，該系統(tǒng)必須在各種苛刻的條件下都能正常工作。動力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和其它汽車控制系統(tǒng)也都有同樣的要求，一旦出現(xiàn)故障，這些系統(tǒng)會導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果。

汽車電子系統(tǒng)對于供應(yīng)商提供的芯片和印制電路板的電磁輻射特別敏感。因此，SAE（原汽車工程師協(xié)會）已經(jīng)定義測試規(guī)范并建立滿足電磁兼容（EMC）和電磁干擾（EMI）的需求，并對其進(jìn)行了不斷的完善。采用極近場EM掃描技術(shù)，供應(yīng)商的設(shè)計團(tuán)隊可以通過一個桌面系統(tǒng)來計量并立即顯示輻射的空間和頻譜特性，避免以后在更高費用的模塊、系統(tǒng)或整車級測試中出現(xiàn)問題。

本文討論幾個能夠展示這種測試價值的例子。第一個例子是關(guān)于“擴頻時鐘發(fā)生器（SSCG）”的輻射特性，分別在“關(guān)”和“開”的狀況下對其掃描。在第二個例子中，設(shè)計團(tuán)隊對比了第二代半雙工串行解串器（串行器/解串器）系統(tǒng)與第三代全雙工系統(tǒng)。結(jié)果驗證了新一代功能及其優(yōu)勢，不但幫助客戶縮短了產(chǎn)品上市時間，并在客戶中產(chǎn)生了積極的影響。

極近場EMI掃描技術(shù)

快速磁性極近場測量儀器可以捕獲和顯示頻譜和實時空間掃描結(jié)果的可視圖像。芯片廠商和PCB設(shè)計工程師可以掃描任何一塊電路板，并識別出50kHz至4GHz頻率范圍內(nèi)的恒定或時基的輻射源。這種掃描技術(shù)有助于快速解決廣泛的電磁設(shè)計問題，包括濾波、屏蔽、共模、電流分布、抗干擾性和寬帶噪聲。

在任何新PCB的開發(fā)過程中，設(shè)計工程師都必須找出設(shè)計之外的輻射體或射頻泄漏，并對其進(jìn)行描述和處理以通過一致性測試?？赡艿妮椛潴w包括高速、大功率器件以及具有高密度或高復(fù)雜度的器件。掃描系統(tǒng)以疊加在Gerber文件上的形式顯示空間輻射特性，因此測試人員可以準(zhǔn)確地找出所有輻射問題的來源。設(shè)計工程師可以在采取了相應(yīng)的解決措施之后，對器件進(jìn)行重新測試并立即量化出校正設(shè)計后的效果。

掃描系統(tǒng)由一個掃描儀、小型適配器、一個客戶提供的頻譜分析儀和運行掃描系統(tǒng)軟件的PC組成。臺式掃描儀包括2，436條回路，可產(chǎn)生1，218個間隔為7.5mm的磁場探針，形成一個電子開關(guān)陣列并提供高達(dá)3.75mm的分辨率。系統(tǒng)工作頻率范圍為50kHz至4GHz，通過可選的軟件密鑰啟用。

這樣，用戶就可以自行對設(shè)計進(jìn)行測試，而不必依賴另外一個部門、測試工程師或進(jìn)行耗時的場外測試。工程師甚至可以在診斷一個間歇故障之后，對設(shè)計進(jìn)行更改，很快再進(jìn)行測試。測試的結(jié)果可以對設(shè)計更改的影響進(jìn)行精確的驗證。

借助掃描系統(tǒng)，電路板設(shè)計工程師可以預(yù)先測試和解決電磁兼容問題，從而避免產(chǎn)生非預(yù)期的一致性測試結(jié)果。掃描儀的診斷功能可以幫助設(shè)計團(tuán)隊將輻射測試時間縮短兩個數(shù)量級以上。

EMI近場輻射特性：SSCG示例

某一大型半導(dǎo)體廠商在解串器的并行總線上實現(xiàn)了SSCG功能。SSCG功能能夠通過將輻射峰值能量擴展到更寬的頻帶上來減少輻射。如下面的圖1所示，頻率變化發(fā)生在額定時鐘中心頻率（中心擴頻調(diào)制）附近，擴展的頻譜為正或負(fù)1.0%（fdev）。在接收器并行總線端，輸出以千赫茲（fmod）的調(diào)制速率隨時間調(diào)制時鐘頻率和數(shù)據(jù)頻譜。定制的串行解串器芯片組的目標(biāo)客戶是要求所安裝電子設(shè)備具有低EMI輻射特性的汽車廠商。

該公司期望用令人信服的量化證據(jù)來向汽車廠商說明SSCG功能可以有效降低EMI輻射。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，設(shè)計團(tuán)隊首先在SSCG功能為“關(guān)”的情況下將待測器件（DUT）放其內(nèi)部掃描儀上，加電，然后在PC中捕獲輻射特性。為了進(jìn)行有效的對比，在打開SSCG功能的情況下，對同一待測器件進(jìn)行了掃描。

極近場掃描系統(tǒng)完成了空間和頻譜掃描后顯示并生成了以下輻射特性圖。需注意的是，掃描結(jié)果疊加在Gerber設(shè)計文件上，因此這樣對結(jié)果進(jìn)行分析可以立即確定待測器件中的具體輻射體。圖2顯示了SSCG功能為“關(guān)”時待測器件的輻射特性。

圖3為SSCG功能為“開”時待測設(shè)備輻射的空間和頻譜（幅度與頻率）特性。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)輻射已經(jīng)顯著減少。

對測試結(jié)果進(jìn)行比較之后，設(shè)計團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)由于使用了SSCG功能導(dǎo)致電磁輻射顯著減少。汽車電子工程師最大的挑戰(zhàn)在于減少EMI輻射?？蛻糁С謭F(tuán)隊每次向汽車廠商客戶展示這些結(jié)果時，他們普遍都表現(xiàn)出了極大的興趣。任何降低EMI的功能（此案例中為SSCG功能）都可以縮短上市時間、降低屏蔽和成本支出。

EMI近場輻射特性：新一代串行解串器例子

這是同一家半導(dǎo)體供應(yīng)商的第二個例子，該公司開發(fā)了一個通過串行解串器進(jìn)行點到點傳輸?shù)牡诙酒M解決方案。在第三代芯片組中，設(shè)計團(tuán)隊采用了一種不同的技術(shù)并升級了傳輸能力。他們將雙向控制通道一起嵌入高速串行鏈路中，從而實現(xiàn)了雙向傳輸（全雙工）。

為了量化比較半雙工解串器與新一代全雙工設(shè)計的輻射特性，設(shè)計團(tuán)隊再次使用了內(nèi)部的EMI極近場掃描儀。他們將原來的半雙工板放在掃描儀上，進(jìn)行基線測量。對待測器件加電后，他們在PC上激活了掃描儀。（參見圖4）

采用同樣的測試設(shè)置，設(shè)計團(tuán)隊用新一代全雙工芯片組板替代了基線板，同時也針對每一條特性保持了同樣的規(guī)格。如上文所述，需注意的是，空間掃描疊加在每次生成的Gerber設(shè)計文件上，以幫助工程師可以確定任何存在的輻射源。

基線（半雙工）系統(tǒng)的空間和頻譜特性如圖5所示。圖6展示了全雙工模式下的輻射掃描結(jié)果。

設(shè)計團(tuán)隊對空間掃描結(jié)果和頻譜掃描結(jié)果進(jìn)行了仔細(xì)的對比。很多人可能認(rèn)為輻射特性會由于擴展的雙向傳輸功能而呈現(xiàn)出更高的電磁輸出。而實際上，與基線相比，全雙工模式下沒有出現(xiàn)尖峰信號并且峰值輻射基本相似，甚至其EMI特性還略有改進(jìn)（空間掃描結(jié)果呈現(xiàn)更深的藍(lán)色）。測試結(jié)果證明全雙工模式的新芯片組未出現(xiàn)明顯的變化（見圖3），設(shè)計團(tuán)隊在沒有采取任何額外緩解措施的情況下實現(xiàn)了全雙工功能。

這些測試是利用這家半導(dǎo)體公司的內(nèi)部極近場掃描系統(tǒng)進(jìn)行的。在短短的幾分鐘內(nèi)，就獲得了上文所示的結(jié)果。因為輻射特性結(jié)果清楚的展示了其優(yōu)越的性能，設(shè)計無需采取任何額外的緩解措施。

相比而言，要在第三方測試箱中測試新設(shè)計，就要求工程師前往場外測試場所，并會耗費大半天的時間。使用測試箱往往需要提前幾周安排，這會給開發(fā)過程帶來極大的延誤。

極近場掃描解決方案不會替代在測試箱中測試設(shè)計的需求。不過，這種儀器可以在簡便的桌面系統(tǒng)中實現(xiàn)快速的前后一致性測試功能。

與在測試箱中進(jìn)行的遠(yuǎn)場測量相比，極近場EMI特性可以提供實時反饋。此外，這些測量結(jié)果與在測試箱中測得的遠(yuǎn)場測量結(jié)果具有很高的相關(guān)性。因此，諸如EMxpert等極近場儀器可以減少在測試箱中進(jìn)行類似測試的數(shù)量?？傊?，這可以幫助設(shè)計團(tuán)隊加快測試進(jìn)程，更快地得到測試箱測試的一致性測試結(jié)果。

本文小結(jié)

汽車工程師不斷面臨著降低電磁干擾和確保所有汽車電子系統(tǒng)的電磁兼容的挑戰(zhàn)。如果引入了新器件但沒有進(jìn)行充分的測試，這些工作就會越來越困難。當(dāng)供應(yīng)商能夠有力證明新功能可以像上文的兩個例子所示一樣具有降低EMI的效果時，就能引起客戶極大的興趣。

在上文的兩個例子中，供應(yīng)商提供的結(jié)果顯示采用了SSCG功能可以降低EMI，同時在新一代串行解串器例子中其輻射特性則沒有變化。因此，極近場EM掃描可以縮短每個產(chǎn)品的設(shè)計周期，無需采取任何額外措施并為汽車廠商降低成本。

對于供應(yīng)商而言，極近場EMI掃描技術(shù)可以實現(xiàn)極具說服力的頻譜掃描，并且可以直觀的把空間掃描結(jié)果疊加在Gerber設(shè)計文件上。這些功能可以幫助設(shè)計工程師記錄和測量其產(chǎn)品新功能組的EMI特性。設(shè)計工程師繼而可以在采取了新的緩解措施或者其它設(shè)計變更后快速的進(jìn)行重新測試。因此，供應(yīng)商設(shè)計團(tuán)隊也縮短了產(chǎn)品上市時間，而極具說服力的掃描結(jié)果可以使方案得到汽車廠商更快的采納。