1 导言
跟着集成电路集成度的进步，越来越多的元件集成到芯片上，电路功用变得复杂，作业电压也在下降。当一个或多个电路里发生的信号或噪声与同一个芯片内另一个电路的运转互相搅扰时，就发生了芯片内的EMC问题，最为常见的便是SSN（Simultaneous Switch Noise，一起开关噪声）和Crosstalk（串音），它们都会给芯片正常作业带来影响。因为集成电路经过高速脉冲数字信号进行作业，作业频率越高发生的电磁搅扰频谱越宽，越简单引起对外辐射的电磁兼容方面问题。依据以上状况，集成电路自身的电磁搅扰（EMI）与抗扰度（EMS）问题已成为集成电路规划与制作重视的课题。
集成电路电磁兼容不只触及集成电路电磁搅扰与抗扰度的规划和测验办法，并且有必要与集成电路的运用相结合。针对轿车电子范畴来讲，将对整车级、零部件级的电磁兼容要求强制性规范，结合到集成电路的规划中，才能使电路更易于规划出契合规范的终究产品。作为电子操控体系里边最为要害的单元——微操控器（MCU），其EMC功用的好坏直接影响各个模块与体系的操控功用。
本文在轿车电子MCU 中选用抗EMI的规划办法，依据IEC61967传导测验规范，对轿车电子MCU进行电磁搅扰的测验。
2 轿车电子MCU规划办法
下面介绍在轿车电子MCU中运用的可行性规划办法以及其他几种抗EMI规划技能。
2.1 时钟电路规划
因为时钟电路发生的时钟信号一般都是周期信号，其频谱是离散的，离散谱的能量会集在有限的频率上。又因为体系中各个部分的时钟信号一般由同一时钟分频、倍频得到，它们的谱线之间也是倍频联系，堆叠起来然后增大辐射的幅值，因而说时钟电路是一个非常大的污染源。
针对轿车电子MCU 数字前端规划，在抗EMI方面选用门控时钟的办法改善。任何时钟在不需求时都应封闭，减低作业时钟引起的电磁发射问题。依据A8128（轿车电子MCU的类型）芯片体系功用规划要求，选用Run、Idle、Stop和Debug四种作业形式，在每一种作业形式下针对体系时钟、外设模块时钟进行恰当门控。此外，还有几种在时钟方面常见的抗EMI的规划办法，包含：
①下降作业频率
MCU的作业时钟应该设定为满意功用要求所需的最低频率。从下面的测验成果能够看出，一个MCU的运转频率由80MHz变为10MHz，能够使频谱宽频规模内的搅扰峰值发生几十dBμV 的衰减，并且能够有用的下降功耗。
②异步规划
异步电路作业没有确定一个固有频率，电磁辐射大规模均匀散布而不会会集在特定的窄带频谱中。这一要害本质特征决议了即便异步电路运用很多的有源门电路，它所发生的电磁发射也要比同步电路小。
③扩展频谱
扩展频谱时钟是一项能够减小辐射丈量值的技能，这种技能对时钟频率进行1%~2%的调制，分散谐波重量，在CISPR16或FCC发射测验中峰值较低，但这并非真实减小瞬时发射功率。因而，对一些快速反应设备仍或许发生相同的搅扰。扩展频谱时钟不能运用于要求严厉的时刻通讯网络中，比方FDD、以太网、光纤等。
2.2 IO端口规划
在轿车电子MCU 的输入输出端口规划中，也加入了抗EMI计划，包含翻转速率（slew rate control）和驱动强度（drive strength）操控办法。经过在一切通用P口引进可装备的翻转速率和驱动强度寄存器，在需求的时分翻开相应功用。翻转速率有翻开和封闭两种挑选，翻开后能够有用地陡峭上升沿或许下降沿，下降瞬态电流，然后操控芯片发生的电磁搅扰强度。驱动强度有强驱动电流和弱驱动电流两种挑选，在能够满意作业驱动强度的状况下，挑选弱电流驱动会更好的操控电磁搅扰现象。
别的，依据GSMC 180nm工艺库，挑选具有施密特触发特性的IO，能够有用地陡峭输入信号中带进来的尖峰或许噪声信号等，对芯片的电磁抗扰度有所协助。
3 轿车电子MCU测验计划
IEC61967规范是世界电工委员会拟定的有关集成电路电磁发射的规范，用于频率为150kHz到1GHz的集成电路电磁发射测验。规范中触及到辐射和传导两类测验办法，因为传导办法的电磁搅扰带给芯片运用上的影响更大一些，本次试验选取IEC61967-4直接耦合法进行测验。该办法又分为1Ω测验法和150Ω测验法，1Ω测验法用来测验接地引脚上的总搅扰电流，150Ω测验法用来测验输出端口的搅扰电压。
在测验时，需求在进行测验的电路中接入串联电阻为1Ω的电流探针（探针即为1Ω测验网络，现已集成在EMC测验板的芯片地端与PCB地平面之间），49Ω串联放置为了构成50Ω匹配，用接收机丈量射频电流流经该电阻时发生的射频电压，所测得的电压应为一切流回到集成电路的射频电流在电流探头上发生电压的总和，测得的电压值能够换算为流过探针的电流，测验环境图如图1所示。
图1 1Ω测验环境
在150Ω测验中，集成电路的引脚经过规范规则的匹配网络接到测验接收机，经过150Ω探针（探针即为150Ω测验网络，现已集成在EMC测验板上）能够丈量SSN在输入输出端口和电源两类引脚上的传导搅扰，经过核算能够将接收机丈量的电压转化为噪声电压幅值，测验环境图如图2所示。
图2 150Ω测验环境
下面是针对EMI进行的1Ω和150Ω测验过程，包含测验前准备作业以及测验数据剖析等。
3.1 测验前装备作业
①环境温度
本次试验会集在晚间进行，现场温度操控在23±2℃规模内，契合规范要求。
②环境噪声电平
将DUT（被测设备）固定在试验台上且为断电状况，用EMI接收机丈量残留噪声。本次试验环境噪声电平在可接受的测验要求内，详情请参看图6。
③其他环境条件
一切其他或许影响测验成果的环境条件，例如环境湿度。本次试验所测得的相对湿度为45%RH左右。
④承认作业状况
给DUT供电并查看承认%&&&&&%处于正常的作业状况，一起在试验时坚持周围的测验条件不变。
3.2 1Ω测验
（1）将SMA衔接线一端衔接到测验板，另一端衔接到接收机（安捷伦N9030，内置N141A电磁兼容测验软件），将EMI接收机的丈量频率规模设置为150kHz到1GHz，依据规范对测验操作的要求，分红150kHz~30MHz（RBW 为9kHz）和30MHz~1GHz（RBW 为120kHz）两段。下面测验图中绿色边框规模内的是150kHz~30MHz，规模外的是30MHz~1GHz。
结合轿车电子MCU 端口特性以及规范要求，将接地端口与1Ω网络相连，再与SMA口相接，引进EMI接收机进行监控，原理图如图3、图4所示。
图3 芯片的地网络引脚
图4 1Ω网络
（2）选取或许影响EMC特性的要素，在时钟上别离测验10MHz、20MHz以及77MHz频率下电磁搅扰巨细数值，在测验功用上选取模数转化程序ADC;
（3）丈量每一段频谱内或许呈现的搅扰，提取各个谐波的包络值，接收机的电压能够换算为流过探针的电流。测验仪器以及EMC测验板如图5所示;
图5 实践测验环境
（4）在对每个频率点测验的时分要进行屡次丈量，以便扫除偶尔要素的搅扰。下面是各个测验状况的阐明;
①时钟选用外部晶振10MHz，烧录SRAM 中的程序为ADC。图6左边为未上电时的环境噪声信号，右侧为上电但未运转程序的丈量成果。
图6 断电vs.上电
经过比照能够得出上电之后在整个频谱规模内搅扰强度变大，时钟的固定周期将使电磁辐射会集在时钟基波和谐波邻近很窄的频谱规模内。依据傅里叶级数打开公式能够得出，在时钟倍频处的频点其搅扰值也越大，所以在10MHz、20MHz等倍频点处的现象更显着，为了进一步比照，运转ADC程序，别离在 10MHz、20MHz以及77MHz时钟下进行测验，比较不一起钟接地引脚总搅扰电流巨细，测验成果如图7、图8、图9所示。
图7 10MHz—ADC测验图
图8 20MHz—ADC测验图
图9 77MHz—ADC测验图
图10 10/20/77MHz—ADC测验数据收拾
图7、图8、图9别离是10MHz、20MHz和77MHz的测验图，图10是收拾后的数据。经过比照能够得出，频谱大致会集在100MHz以内，在对应作业时钟的主频点处搅扰值最大，10MHz、20MHz状况下在相应倍频点（如40MHz、60MHz等频点）邻近的搅扰值也比较会集。
提取数据得到10 MHz时峰值点为9.999MHz（62.643dBμV），20 MHz 时的峰值点为20.002MHz（61.692dBμV），77MHz时的峰值点为19.264MHz（48.049dBμV）以及 77.042MHz（47.316dBμV）。能够看出，77MHz时搅扰强度和密度反而要弱于20MHz，或许是因为77MHz是MCU作业的极限时钟，此刻作业功用遭到必定影响，导致测验的成果有所不同。
③因为轿车电子MCU的作业时钟能够挑选外部晶振或许内部PLL倍频，所以要对两种状况别离测验，以便比较是否有不同。运转ADC程序后的测验成果如图11所示。
图11 PLL vs.外部晶振（10MHz）
从图11中能够看出，在频谱规模内各个峰值点的散布大致相同，整个频谱规模内没有显着差异，MCU经过外部晶振或PLL倍频两种办法测得的成果根本共同，时钟源挑选上不会对芯片的电磁搅扰强度带来影响。
3.3 150Ω测验
（1）设备设备衔接同1Ω测验法的过程①;
（2）依据芯片电源类型，电源分为4路，别离是VDD1（数字IO 供电的5V 电源信号）、VDD2（为ADC和PLL供电的LDO 的5V 电压）、VDD3（数字逻辑LDO的5V电压输入）和VDD4（Flash的5V电压输入）。可独自对每一路电源的搅扰噪声进行捕捉，衔接办法与1Ω 测验法过程②相同，如图12所示;
图12 VDD衔接150Ω网络145
（3）依据轿车电子MCU运用特色，选取最为典型的PWM、CAN 程序，为了便利今后对很多引脚进行独自丈量，将P0、P1、P2（P3未触及到外设功用复用）端口共24个引脚进行了开关操控，再经过150Ω耦合网络衔接到EMI接收机，图13是P0端口的电路原理图，P1和P2的原理图同P0。
图13 IO-P0衔接150Ω网络
（4）重复测验屡次，得到较多测验样本，经过收拾，下面是各个测验状况的阐明。
①从电源端口成果来看，差异很小，下面以VDD1为例进行剖析阐明。VDD1测验选取了ADC和counter（数字计数器）的程序，以比较不同类别的程序对数字供电是否有影响，测验成果如图14、图15所示。
在10MHz和20MHz时钟上比照，ADC最高峰值别离为35.827dBμV、43.517dBμV;counter的最高峰值为 35.899dBμV、43.271dBμV。能够得出频率越高，搅扰强度越大。但就两类程序横向比照来看，成果根本上共同。别的还发现 60~300MHz和550~650MHz两处会集的搅扰频谱，可见电源处的搅扰在高频邻近比较显着。
②PWM 功用测验
双通道形式下，在不同占空比和周期巨细状况下，测验对应P口引脚处传导发射强度的巨细，测验成果如图16、图17所示。
从图16中的搅扰密度可看出时钟对电磁搅扰影响程度。在图17中，因为period和duty较长，测验成果相差不大，此刻时钟频率变成非必须要素，主要要素取决于输出引脚处凹凸电平改变周期长短。
③CAN功用测验
运转Loopback（回路形式）程序，在不一起钟频率下进行比较，测验成果如图18、图19所示。
从图16~19中调查，跟着时钟频率变大，TX和RX端口的传导辐射强度也变大。关于RX端口，10/40MHz频点邻近的搅扰密度比较大，且在 40MHz时分现象更显着，捕捉到接连三个频点（图18右侧标示），别离是39.060 MHz（71.063dBμV）、39.360MHz（67.447dBμV）、40.020MHz（39.171dBμV），两个时钟下的峰值都在 70~85dBμV 之间，但一般都在10MHz以下，应该是受低频某一频点的影响较显着。
关于TX端口，10/40MHz频点邻近的搅扰密度没有RX显着，峰值也都在70~85dBμV 之间，且发生在10MHz以下，和RX的特色大致相同。
4 测验成果剖析
从测验数据成果能够总结出以下几点：
①在时钟频率上，从10 MHz到40 MHz、77MHz，搅扰强度或是密度在全体上都会添加，能够是一小段频谱或许是整个频谱规模内，这与测验目标联系比较大。剖析原因不难发现，因为时钟电路发生的时钟信号一般都是周期信号，其频谱是离散的，离散谱的能量会集在有限的频率上，又因为体系中各个部分的时钟信号一般由同一时钟分频、倍频得到，它们的谱线之间也是倍频联系，会堆叠起来然后增大辐射的幅值。
②在程序烧写办法上，外部晶振或PLL倍频两种办法测得的成果根本共同，整个频谱规模内没有显着差异，时钟源挑选上不会对芯片的电磁搅扰强度带来影响。
③从VDD1测验成果来看，除了得出频率越高，搅扰强度越大之外，还发现呈现搅扰的频谱规模别离在60~300MHz和550~650MHz两处，可见电源处的搅扰在高频邻近比较显着。
④关于PWM 功用，经过装备输出波形周期和占空比巨细，会导致在不一起钟下发生的电磁搅扰强度有所差异。因为双通道形式下寄存器为16bit（原单通道形式为 8bit），此刻周期和占空比可装备的数值变大，PWM 波输出引脚处的凹凸电平翻转周期就取决于周期和占空比的设置，与时钟的联系变得没有之前如此严密，时钟变成了非必须要素。由此主张在满意功用要求的前提下，运用PWM 功用时尽量将周期和占空比数值变得大一些，这样会较好地改善EMC功用;
⑤关于CAN 总线来讲，经过10 MHz和40MHz时钟比照，当合理地下降时钟作业频率，会使一大段频谱规模内的搅扰值下降，从全体上较好的操控EMI带来的影响。
5 结束语
关于微电子职业来说，芯片级电磁兼容性的规划与测验现已成为一个非常重要的主题。实践上，假如不对%&&&&&%电磁辐射及抗扰度方面进行深化的研讨，就很难满意电子设备电磁兼容性方面的需求。本文经过对规划办法的引进，并进一步经过测验计划去总结概括影响电磁发射的要素和原因，然后直接证明了规划办法的必要性和重要性。
