轿车电子 电磁兼容性(EMC)规划

轿车电子处于一个充溢噪声的环境，因此轿车电子有必要具有优异的电磁兼容(EMC)功用。而轿车电子的EMC规划中最首要的是微处理器的规划，作者将结合实践规划经历，剖析噪声的发生机理并提出消除噪声的方法。

轿车电子常常作业环境很恶劣：环境温度规模为－40oC到125oC；振荡和冲击常常发生；有许多噪声源，如刮水器电动机、燃油泵、火花焚烧线圈、空调起动器、沟通发电机线缆衔接的间歇堵截，以及某些无线电子设备，如手机和寻呼机等。

轿车规划中一般都有一个高度集成的微操控器，该操控器用来完结许多的核算并完成有关车辆运转的操控，包含引擎办理和制动操控等。轿车电子规划不只需求在这种噪声环境中完成对MCU的维护，一起也有必要规范MCU模块规划，保证MCU模块发射的噪声满意相关的规范。

在概念上，电磁兼容性(EMC)包含体系本身对噪声的灵敏性以及噪声发射两个部分。噪声能够经过电磁场的方法传达然后发生辐射搅扰，也能够经过芯片上或许芯片外的寄收效应传导。

在大多数轿车操控体系规划中，EMC变得越来越重要。假如规划的体系不搅扰其它体系，也不受其它体系发射影响，而且不会搅扰体系本身，那么所规划的体系便是电磁兼容的。

在美国出售的任何电子设备和体系都有必要契合联邦通讯委员会(FCC)拟定的EMC规范，而美国首要的轿车制造商也都有自己的一套测验规范来束缚其供货商。其它的轿车公司一般也都有各自的要求，如：

SAE J1113(轿车器材电磁灵敏性测验程序)给出了轿车器材引荐的测验等级以及测验程序。

SAE J 1338则供给关于整个轿车电磁灵敏性怎么测验的相关信息。

SAE J1752/3和IEC 61967的第二和第四部分是专用于IC发射测验的两个规范。

欧洲也有自己的规范，欧盟EMC辅导规范89/336/EEC于1996年开端收效，从此欧洲轿车工业引入了一个新的EMC辅导规范(95/54/EEC)。

查看轿车关于电磁辐射的灵敏性，应该保证整个轿车在20到1000MHz的90％带宽规模内参阅电平束缚在24V/米的均方根值以内，在整个带宽规模以内的均方根值在20V/米以内。在测验过程中要实验驾驶员对方向盘、制动以及引擎速度的直接操控，而且不答应发生或许导致路面就任何其别人混杂的反常，或许驾驶员对轿车直接操控的反常。

因为芯片几许尺度不断减小，以及时钟速度的不断添加都会导致器材发射超越500MHz的时钟谐波，因此EMC规划十分重要。如摩托罗拉公司最新根据e500架构的微操控器MPC5500系列，该芯片选用0.1微米工艺技能，时钟频率为200MHz。

此外，产品本钱的要求迫使生产商规划电路板时不运用地层并尽或许削减器材数量，轿车规划工程师将面临十分严厉的规划束缚应战。规划的电子体系有必要高度牢靠，即便一百万辆轿车中有一辆存在一个简略的毛病都是不答应的。没有考虑EMC规划而召回一切轿车的事实证明这种做法不只丢失巨大，而且影响轿车厂商的名誉。

在电磁兼容规划中，“受害方”的概念一般指那些因为规划缺少EMC考虑而遭到影响的部件。受害部件或许在根据MCU的PCB或许模块的内部，也或许是外部体系。一般的受害部件是轿车免持钥匙入车 (Keyless-Entry)模块中的宽带接纳器或许是车库门敞开设备接纳器，因为接纳到MCU宣布的满足强的噪声，这些模块中的接纳器会误认为接纳到了一个遥控信号。

轿车收音机一般也是受害部件：MCU或许发生许多的FM波段谐波，严峻下降声响质量。散布在轿车中的其它模块也或许遭到相似的影响，根据MCU的模块发生的发射噪声经由线缆传达出去，假如MCU发生满足强的噪声对文本和语音进行搅扰，那么无绳电话和寻呼机也简单遭到搅扰。

EMC规划

许多EMC规划技能都能够运用到电路板和SoC规划中。最具共性的部分便是传输线效应，以及布线和电源散布网络上的寄生电阻、电容和电感效应。当然，SoC规划中存在许多与芯片本身相关的技能，触及基底资料、器材几许尺度和封装等。

首要了解传输线效应。假如发送器和接纳器之间存在阻抗不匹配，信号将发生反射而且导致电压振铃现象，因此下降噪声容限，添加信号串扰并经过容性耦合对外发生信号发射搅扰。IC上的传输线尺度一般十分小，因此不会发射噪声或许遭到辐射噪声的影响，而电路板上的传输线尺度一般比较大，简单发生这种问题，最常用的处理方法是运用串联完结器。

在SoC规划中，噪声首要经过寄生电阻和电容来传导，而不是以电磁场的方法辐射。CMOS芯片经过一种外延工艺完成极低电阻基底的方法来增强抗闭锁的才能，而基底的底侧为基底噪声供给了一种有用的传导途径，使得很难将噪声源同灵敏节点在电气上分隔开来。

许多并行的p＋基底触点(contact)为阻性耦合噪声供给了一个低阻抗途径。在n阱和p沟道晶体管p基底的侧壁以及底部之间会构成寄生电容，因此发生容性耦合噪声，而且在n沟道晶体管的基底和源区之间构成pn结(见图1)。

单个pn结电容十分小，在一个VLSI的SoC规划中并行的电容总和一般是几个纳法，在衔接到电源网络之前将源区和基底直接衔接能够短路掉这个电容。这种技能还消除了进入基底的瞬时负电流而导致的体效应(body effect)。体效应会添加耗尽区，并导致晶体管的Vt变高。相同的技能也能够运用于n阱p沟道晶体管，以减小容性耦合噪声。



可是，包含层叠晶体管的数字电路或许模仿电路一般都需求阻隔源区。在这种状况下，添加Vss到基底或许Vdd到基底的电容能够下降噪声瞬态值。对模仿电路规划来说，体效应经过改动偏置电流和信号带宽下降了电路功用，因此需求运用其它处理方法，如阱阻隔。对数字电路，选用单一的阱最理想，能够下降芯片面积。经过细心的规划能够对体效应进行补偿。

基底噪声的另一个来历是磕碰离化(impact-ionization)电流，该噪声跟工艺技能有关，当NMOS晶体管到达夹断(pinch-off )电压时就会呈现这种状况。磕碰离化会在基底发生空穴电流(正的瞬间电流)。

一般，基底噪声的频率规模或许高达1GHz，因此有必要考虑趋肤效应。趋肤效应是辅导体上跟着深度的添加感应系数增大，在导体的中心方位到达最大值。趋肤效应会导致片上信号的衰减以及信号在芯片p＋基底层的失真。为最大程度减小趋肤效应，要求基底厚度小于150微米，该尺度远远小于某些基底答应的最小机械厚度，可是更薄的基底更易碎。
噪声源

微操控器内部存在四种首要的噪声源：内部总线和节点同步开关发生的电源和地线上的电流；输出管脚信号的改换；振荡器作业发生的噪声；开关电容负载发生的片上信号假象。

许多规划方法能够下降同步开关噪声(SSN)。穿透电流是SSN的一个首要来历， 一切的时钟驱动器、总线驱动器以及输出管脚驱动器都或许遭到这种效应的影响。这种效应发生在互补类型的反相器中 ，输出状况发生改动时p沟道晶体管和n沟道晶体管瞬间一起导通。保证在互补晶体管导通之前关断另一个晶体管就能够完成穿透电流最小，在大电流驱动器的规划中，这或许要求一个前置驱动器来操控该节点信号的转化率。

堵截不需求运用模块的时钟也能够下降SSN。很明显，该技能同详细运用十分相关，运用该技能能够进步EMC功用。在相似摩托罗拉的MPC555和565这样高度集成的微操控器芯片中，一切芯片的外围模块都具有这样的功用。

SSN也会发生辐射搅扰，瞬间的电源和地电流会经过器材管脚流向外部的去耦电容。假如该电路(包含邦定线、封装引线以及PCB线)构成的环路满足大，就会发生信号发射。而环路中的寄生电感会发生电压降，将进一步发生共模辐射搅扰。

共模辐射电场E的强度由下面等式核算：

E = 1.26 x 10-6 Iw f l/d

E = 1.26 x 10-6 Iw f l/d

这儿E的单位是伏特/米，Iw的单位是安培，f是单位为赫兹，l是途径长度，d是到该途径的间隔，l和d的单位都是米。 杂乱规划中频率由特定的运用需求来确认，不或许下降，因此SoC规划工程师有必要细心考虑怎么经过下降Iw或l来下降电场强度。

处理好时钟域也能下降SSN。许多优异的SoC规划都是同步电路，这样简单在时钟上下沿处发生很大的峰值电流。将时钟驱动器散布在整个芯片中，而不是选用一个大的驱动器，这样能够使瞬态电流散布开。别的一种或许的方法是保证时钟不相互堆叠。当然有必要当心防止因为时序不匹配而发生竞赛。更重要的是，时钟信号应该在远离灵敏的I/O逻辑信号，特别是模仿电路。

当时的杂乱嵌入式MCU有许多输出信号，大多数输出信号都有必要能够快速地呼应电容负载。这些信号包含时钟、数据、地址和高频串行通讯信号。对内部节点来说，穿透电流和容性负载都会发生噪声。运用相同的技能处理内部节点能够处理输出管脚驱动器电路噪声问题。别的，管脚上信号的快速改换会发生反射引起的输出信号线上的信号振铃和串扰。

将这种类型的噪声源减到最小有许多处理方案。输出驱动器能够规划成驱动强度能够操控，而且能够添加信号转化速率操控电路来束缚di/dt。因为大多数器材测验设备同终究运用比较，测验节点电容更高，所以一般更愿意指定一个固定值来完成驱动强度的操控。例如，假定MPC5XX系列的MCU微操控器芯片的CLKOUT满驱动强度是一个90pF的负载，而且是专为测验意图而设定。除了因为时序而考虑满驱动强度外，最好运用下降的驱动强度。

上面介绍的技能关于下降噪声有活跃的效果，因为瞬态电流包络延伸，均匀的电流实践上会添加。在芯片上完成一个LVDS物理层也能够减小因为输出管脚上大的瞬态电流发生的噪声，这种方法依托差模电流源来驱动低阻抗的外部负载(图2)。电压的摆幅束缚在±300mV规模内。



支撑这种技能所需添加的管脚能够经过削减电源管脚来补偿，因为这种完成方法有用地下降了片上瞬态电流，因此输出驱动器经过电源根本上保持一个稳定的直流电流，而传统驱动器中的瞬态电流则会在电容性负载上发生大的电压摆幅。

在振荡器规划中有两个方面会影响到EMC：输入和输出信号波形的形状会发生影响；经过频率颤动来完成频谱展宽并下降其窄带功率的才能。

振荡器从本质上归于模仿电路，因此对工艺、温度、电压和负载效应比SoC中的数字电路更灵敏。运用自动增益操控(AGC)电路方法的反应来束缚振荡器信号起伏能够消除大部分这些效应。AGC的别的一种代替完成便是双形式振荡器，能够在高电流形式和低电流形式之间切换。初始状况下，电源接通时运用高电流形式保证较短的发动时刻，然后切换到低电流形式保证最小噪声。

在集成了作为振荡器电路一部分的锁相环的SoC规划中，能够使用频率颤动在很小的规模内改动时钟频率，这样跟着频率在一个规模上打开，能够削减根本能量。整个体系规划有必要细心考虑保证这种改动的比率以及频率规模不会影响终究运用中要害器材的时序。而在相似CAN、异步SCI和守时的I/O功用等广泛运用于轿车的串行通讯中不能采纳该方法。芯片上的开关噪声标明其本身便是希望信号输出的一个阻尼振荡，这是电感与芯片上负载电容串联组合而发生的成果。对一个典型的片上总线来说，负载是一个衔接到许多三态缓冲器的长的PCB布线，该负载的主体是电容，包含栅极，pn结以及互联%&&&&&%。

消除电感或许下降di/dt能够减小或许消除噪声。只有当噪声起伏大到会引起衔接节过错开关时，才需求细心考虑规划中的噪声问题。

下降关于外部噪声源的灵敏性包含对外部器材以及内部规划的考虑。外部的瞬态电流会引起管脚上的两种状况：电压改动会导致容性耦合的电流进入器材；超出电源规模的电压终究会经过电阻途径将电流传导到器材中。

轿车电子规划中，一般用外部RC滤波器来束缚瞬态电压摆幅和注入电流。有必要当心，保证外部器材值考虑到漏电流效应，尤其是模仿输入时。值得注意的是，MCU和外围%&&&&&%的I/O管脚一般多达200个，这种处理方案所需的额定本钱和电路板空间使工程师在体系规划中不愿意选用。最好的处理方法是完成在芯片上的高度集成。

硬件和软件技能能够协同完成EMC功用要求。例如，许多MCU都具有在外部总线上输出内部拜访的才能，一般状况下这些都是不行见的。这种方法关于调试十分有用，可是在一些规划不妥的体系中或许会发生外部的总线竞赛，然后使相关噪声添加。

在曩昔的作业中我曾遇到芯片上A/D改换器读取值不正确的相似问题，该问题看上去好像噪声在某种程度上搅扰了丈量或许是改换。经过了解体系的硬件结构图，从表面上了解A/D改换器的输入部分好像一切都很正常，可是我注意到外部的EPROM以某种方法完成解码，而这种解码方法在某些十分特别的状况下或许会引起总线竞赛，这种竞赛不会影响程序的任何运转，可是会发生满足的噪声，因此会呈现A/D改换偶尔的过错。经过改动解码逻辑就敏捷处理了这个问题。