符合汽車 EMC/EMI 要求之成功設(shè)計的十個技巧

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：其中有兩項要求是確保電子系統(tǒng)不會產(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)計符合這些要求的技巧和方法。

EMC 要求概述

CISPR 25 是一項標(biāo)準(zhǔn)，其提出了幾種配有建議限值的測試方法，用以對某個即將安裝到汽車上的組件所產(chǎn)生的輻射發(fā)射進(jìn)行評估。[1，2] 除了 CISPR 25 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CISPR 25 指導(dǎo)準(zhǔn)則的補(bǔ)充。CISPR 25 測試的主要目的是確保即將安裝到汽車中的組件不會干擾車內(nèi)的其他系統(tǒng)。

CISPR 25 要求執(zhí)行測試的房間里的電磁噪聲電平必須至少比實測的最低電平低 6 dB。由于 CISPR 25 具有其期待噪聲電平低至 18 dB (μV/m) 的場所，因此需要一個低于 12 dB (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 1 km 以外的一個典型 AM 廣播電臺的場強(qiáng)。[3]

在當(dāng)今的環(huán)境中，滿足該要求的唯一辦法就是在一個專為把測試環(huán)境與外界電磁場加以屏蔽而設(shè)計和建造的特殊房間里進(jìn)行測試。此外，由于正常的預(yù)算都要求對測試室的大小做一定的限制，故而應(yīng)避免測試環(huán)境遭受測試室內(nèi)部產(chǎn)生的信號反射的不良影響，這一點(diǎn)很重要。于是，測試室的墻壁必須鑲嵌有某種不會反射電磁 (EM) 波的材料（圖 1）。測試室的造價十分昂貴，其通常是按小時來租用的。為了節(jié)省成本，最好是在設(shè)計階段即對 EMC/EMI 問題進(jìn)行評估，從而在測試室中實現(xiàn)一次成功。

另一種測試標(biāo)準(zhǔn)是 ISO 11452-4 大電流注入 (BCI) 系列測試，其用于驗證某個組件是否受到了窄帶電磁場的不利影響。測試是通過利用一個電流探針將擾動信號直接感應(yīng)到線束中來進(jìn)行的。

實現(xiàn)成功 EMC 測試的 10 個技巧

1 保持小的環(huán)路

當(dāng)存在一個磁場時，一個由導(dǎo)電材料形成的環(huán)路充當(dāng)了天線，并且把磁場轉(zhuǎn)換為圍繞環(huán)路流動的電流。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)信號時，就可能存在一個環(huán)路。在采用差分線路的發(fā)送器和接收器之間會形成一個環(huán)路。

圖 1：采用特殊的錐形瓷磚以阻止反射的典型測試室

另一種常見的環(huán)路出現(xiàn)在兩個子系統(tǒng)共用某個電路的場合，也許是一臺顯示器和負(fù)責(zé)驅(qū)動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 連 接 至 具 有 其 自 己 的 接 地 線 的 顯 示 器時，會在接地平面的內(nèi)部形成一個巨大的環(huán)路。在有些場合中，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電感器或鐵氧體磁珠，雖然 DC 環(huán)路仍然會存在，但是從 RF 輻射的角度來看，這個環(huán)路被斷開了。

另外，當(dāng)通過雙絞線電纜傳送信號時，每對差分驅(qū)動器 /接收器都將形成一個環(huán)路。一般地，由于雙絞線是緊密耦合的，因此對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。

2 旁路電容中必不可少的

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消耗功率。從電源的觀點(diǎn)來看，平均流耗為 10 mA 的 CMOS 電路在時鐘轉(zhuǎn)換期間吸收的電流可能要高出許多倍，而在時鐘轉(zhuǎn)換周期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主要的輻射源。通過在每個電源引腳的附近布設(shè)一個旁路電容器，在時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，在時鐘轉(zhuǎn)換周期之間該電容器上的電荷利用一個較低、較穩(wěn)定的電流來積聚。較大的電容器適合于提供電流的激增，但對于高速要求的反應(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耗盡。對于大多數(shù)電路來說，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)在非常靠近器件電源引腳的地方，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。

3 良好的阻抗匹配可最大限度地降低 EMI

當(dāng)高速信號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，部分信號將被反射回信號源，部分信號將沿著原來的方向繼續(xù)傳送。反射將導(dǎo)致輻射，這一點(diǎn)是不會改變的。為了實現(xiàn)低 EMI，必需遵循合適的高速設(shè)計慣例。有大量上佳的資源為您提供了有關(guān)傳輸線設(shè)計的信息。[4，5] 這里給出了一些在設(shè)計傳輸線時建議采取的預(yù)防措施：

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

· 設(shè)法避免在信號走線的排布當(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 信號將讓組件對其進(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)厚度來設(shè)定走線的特征阻抗。

4 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)計時，需在會引發(fā)問題的電路部分的周圍實施屏蔽。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。

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

圖 2：屏蔽示例

5 簡短的接地線

流入一顆芯片的所有電流都將再次從該芯片流出。本文中介紹的幾個技巧都談到了這樣一點(diǎn)，就是至芯片的連接線必需簡短，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 的路徑比一個過孔長不了多少。然而，有些電路板布局在接地平面中有切口，因而會迫使接地電流經(jīng)由一條很長的路徑從芯片返回電源。當(dāng) GND 電流通過該路徑傳輸時，它就充當(dāng)了一個發(fā)送或接收噪聲的天線。

6 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)心時序裕度并采用盡可能快的邏輯器件來提供最佳的時序裕度。不幸的是，非常快的邏輯器件具有陡峭的脈沖邊沿和甚高頻成分，往往會產(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序要求的邏輯器件。許多 FPGA 允許把驅(qū)動強(qiáng)度設(shè)置在較低的水平，這是一種降低邊緣速率的方法。在某些場合中，可采用邏輯線上的串聯(lián)電阻器來減低系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)換速率。

7 電源線電感器

在第二個技巧中我們討論了，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問題的另一個方面。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）來滿足其動態(tài)功率需求。

8 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，一個反復(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)計人員擔(dān)心產(chǎn)生干擾的地方在于 AM 無線電波段。絕大多數(shù)汽車都配備了一臺 AM 收音機(jī)，其具有一個可調(diào)諧頻率范圍為 500 kHz 至 1.5 MHz 的非常靈敏的高增益放大器。如果某個組件發(fā)射了處在該頻段之內(nèi)的信號，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)噪聲就會進(jìn)入其他也許對基頻或次諧波頻率很敏感的子系統(tǒng)。

9 密切注意諧振

對于各種不同的干擾源，已規(guī)定利用電感器和電容器來緩解有可能導(dǎo)致 EMI 的 dv/dt 和 di/dt 問題。然而，電感器和 / 或電容器會具有與自諧振有關(guān)的不良特性。這個問題常?？梢酝ㄟ^增設(shè)一個與電感器并聯(lián)的電阻器來糾正，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)存在一個通向某個帶有旁路電容器的組件的串聯(lián)電感器（一個分立的組件或者一個源自電源線的寄生電感）時，就會引發(fā)另一個潛在的問題。由此形成的 L-C 電路有可能在諧振頻率上振蕩。同樣，這個問題也可以利用一個電阻器（通常是與該電感器并聯(lián)）加以解決。

10 擴(kuò)頻計時可降低峰值輻射

對于 FPD-Link 串化器或解串器 (SerDes) 等組件而言，常常存在一個具有擴(kuò)頻計時選項的數(shù)據(jù)總線和時鐘。在擴(kuò)頻計時中，對時鐘信號進(jìn)行調(diào)制。結(jié)果是把由時鐘和數(shù)據(jù)信號脈沖邊沿產(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 是一個很好的解串器實例，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鐘，并將該時鐘與數(shù)據(jù)一起輸出以供處理器使用。與一個高速時鐘同時執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作的 10 或 12 根高速數(shù)據(jù)線是引發(fā) EMI 的一個主要來源。為了降低該 EMI，DS90UB914A 具有一種使用擴(kuò)頻時鐘和輸出數(shù)據(jù)（而不是圖像傳感器提供的低抖動時鐘）的選項。該擴(kuò)頻時鐘通過解串器中的寄存器來控制。

結(jié)論

由于汽車越來越多地依賴電子產(chǎn)品來實現(xiàn)不限于娛樂和舒適功能的關(guān)鍵型汽車運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對于在存在干擾的情況下執(zhí)行無差錯操作以及不對車內(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。

參考文獻(xiàn)

1  CISPR 25 規(guī)范，ANSI eStandards Store。

2  作者：Vincente Rodriguez，《汽車組件 EMC 測試：CISPR 25、ISO 11452-2 及等效標(biāo)準(zhǔn)》，摘自 Safety & EMC 2011。

3   《 A M 廣 播 地 波 場 強(qiáng) 圖 》 ， 摘 自 F C C Encyclopedia。

4 作者：Brian C. Wadell，《傳輸線設(shè)計手冊》，Artech House 出版社，1991 年 1 月 1 日。

5  作者：Howard W Johnson 和 Martin Graham，《高速信號傳播：高級黑魔法》，Prentice Hall Professional 出版社，2003 年。