汽車電子系統(tǒng)的極近場EMI掃描技術(shù)

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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，并對其進行描述和處理以通過一致性測試。可能的輻射體包括高速、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)計進行測試，而不必依賴另外一個部門、測試工程師或進行耗時的場外測試。工程師甚至可以在診斷一個間歇故障之后，對設(shè)計進行更改，很快再進行測試。測試的結(jié)果可以對設(shè)計更改的影響進行精確的驗證。

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。

圖1：擴頻時鐘功能。

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。為了進行有效的對比，在打開SSCG功能的情況下，對同一待測器件進行了掃描。

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2:SSCG功能為“關(guān)”時測得的EMI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。

圖3:SSCG功能為“開”時的EMI輻射特性。

對測試結(jié)果進行比較之后，設(shè)計團隊發(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）

圖4：半雙工和全雙工串行解串器器件的EMI掃描的測試環(huán)境。

采用同樣的測試設(shè)置，設(shè)計團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。