符合汽車 EMC/EMI 要求之成功設計的十個技巧

引言

汽車行業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不會產生過多的電磁干擾 (EMI) 或噪聲，以及必需能夠免受其他系統所產生之噪聲的影響。本文探究了部分此類要求，并介紹了一些可用于確保設備設計符合這些要求的技巧和方法。

EMC 要求概述

CISPR 25 是一項標準，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生的輻射發射進行評估。[1，2] 除了 CISPR 25 為制造商提供的指導之外，大多數制造商還擁有一套自己的標準作為CISPR 25 指導準則的補充。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的其他系統。

CISPR 25 要求執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) 的環境噪聲電平。作為參考，這大約相當于距離天線 1 km 以外的一個典型 AM 廣播電臺的場強。[3]

在當今的環境中，滿足該要求的唯一辦法就是在一個專為把測試環境與外界電磁場加以屏蔽而設計和建造的特殊房間里進行測試。此外，由于正常的預算都要求對測試室的大小做一定的限制，故而應避免測試環境遭受測試室內部產生的信號反射的不良影響，這一點很重要。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。為了節省成本，最好是在設計階段即對 EMC/EMI 問題進行評估，從而在測試室中實現一次成功。

另一種測試標準是 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到線束中來進行的。

實現成功 EMC 測試的 10 個技巧

1 保持小的環路

當存在一個磁場時，一個由導電材料形成的環路充當了天線，并且把磁場轉換為圍繞環路流動的電流。電流
的強度與閉合環路的面積成正比。因此，應盡量地避免環路的存在，并使必要的封閉區域的面積盡可能地小。比如，當有差分數據信號時，就可能存在一個環路。在采用差分線路的發送器和接收器之間會形成一個環路。

圖 1：采用特殊的錐形瓷磚以阻止反射的典型測試室

另一種常見的環路出現在兩個子系統共用某個電路的場合，也許是一臺顯示器和負責驅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，即顯示端和系統的 ECU 端至該 GND 的一根連接線 。 當 視 頻 信 號 連 接 至 具 有 其 自 己 的 接 地 線 的 顯 示 器時，會在接地平面的內部形成一個巨大的環路。在有些場合中，此類環路是不可避免的。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 環路仍然會存在，但是從 RF 輻射的角度來看，這個環路被斷開了。

另外，當通過雙絞線電纜傳送信號時，每對差分驅動器 /接收器都將形成一個環路。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路的面積很小。不過，一旦該信號到達電路板，則應保持緊密耦合以避免擴大環路面積。

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以及節點電容需要充電和放電時消耗功率。從電源的觀點來看，平均流耗為 10 mA 的 CMOS 電路在時鐘轉換期間吸收的電流可能要高出許多倍，而在時鐘轉換周期之間的流耗則非常低甚至為零。因此，輻射限制方法重點關注的是電壓和電流的峰值，而不是平均值。

在時鐘轉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，在時鐘轉換周期之間該電容器上的電荷利用一個較低、較穩定的電流來積聚。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能力欠佳。非常小的電容器能夠對需求做出快速反應，但是它們的總電荷容量有限并且很快就會耗盡。對于大多數電路來說，最佳的解決方案是將不同大小的電容器并聯混用（也許是 1μF 和 0.01μF 電容器的并聯）。把較小的電容器布設在非?？拷骷娫匆_的地方，而較大的電容器則可安放在距離電源引腳遠一點的地方。

3 良好的阻抗匹配可最大限度地降低 EMI

當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傳送。反射將導致輻射，這一點是不會改變的。為了實現低 EMI，必需遵循合適的高速設計慣例。有大量上佳的資源為您提供了有關傳輸線設計的信息。[4，5] 這里給出了一些在設計傳輸線時建議采取的預防措施：

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，因此應留意信號走線下方的接地平面切口或中斷。

· 設法避免在信號走線的排布當中出現銳角。精巧彎曲的拐角要比直角轉彎好得多。

· 通常，FPD-Link 信號將讓組件對其進行分接；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 規格的小型組件，并把走線的寬度設定得與 0402組件焊盤的寬度相同。而且，還務必通過控制疊層中的電介質厚度來設定走線的特征阻抗。

4 屏蔽

應采用優良的屏蔽方法，在這一點上沒有捷徑可走。當以最大限度地減少輻射為目標進行設計時，需在會引發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逸出之前將其發送至地。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封閉在一個導電外殼之中，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，就是至芯片的連接線必需簡短，比如：旁路電容器要靠近 IC、應保持小的環路等。然而，接地電流返回其來源所必須經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由一條很長的路徑從芯片返回電源。當 GND 電流通過該路徑傳輸時，它就充當了一個發送或接收噪聲的天線。

6 速度不要超過所需的水平

業界有這樣一種傾向，就是擔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?？斓倪壿嬈骷哂卸盖偷拿}沖邊沿和甚高頻成分，往往會產生 EMI。降低系統 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 允許把驅動強度設置在較低的水平，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電阻器來減低系統中的信號轉換速率。

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電感器或鐵氧體磁珠，將強制連接至該電源的電路從電容器（而不是大老遠地從電源）來滿足其動態功率需求。

8 在開關電源的輸入端上布設電容器

在尋求解決 EMI 問題時，一個反復出現的主題是在可能的情況下降低 dv/dt 和 / 或 di/dt。關于這一點，DC/DC轉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 的轉換，而是從 DC 至 AC 再到DC。因此，處在轉換中間階段的 AC 有可能引起 EMI 問題。

汽車設計人員擔心產生干擾的地方在于 AM 無線電波段。絕大多數汽車都配備了一臺 AM 收音機，其具有一個可調諧頻率范圍為 500 kHz 至 1.5 MHz 的非常靈敏的高增益放大器。如果某個組件發射了處在該頻段之內的信號，將很有可能在 AM 收音機里聽到。許多開關電源所采用的開關頻率就位于此頻段內，從而在汽車應用中導致問題的發生。因此，大多數汽車開關電源都采用高于該頻段的開關頻率 － 通常是在 2MHz 或者更高。假如在開關電源的輸入端或輸出端上未提供充分的濾波，那
么部分此類開關噪聲就會進入其他也許對基頻或次諧波頻率很敏感的子系統。

9 密切注意諧振

對于各種不同的干擾源，已規定利用電感器和電容器來緩解有可能導致 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的不良特性。這個問題常?？梢酝ㄟ^增設一個與電感器并聯的電阻器來糾正，該電阻器可吸收振蕩所產生的能量，從而避免其變大到足以引發問題的地步。當存在一個通向某個帶有旁路電容器的組件的串聯電感器（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）加以解決。

10 擴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頻計時選項的數據總線和時鐘。在擴頻計時中，對時鐘信號進行調制。結果是把由時鐘和數據信號脈沖邊沿產生的能量散布在比其必需占用的頻段更寬的頻率范圍內。由于 EMI 規范被設置為限制某個頻段內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駕駛輔助系統 (ADAS) 中的攝像機和處理器之間提供視頻鏈接。該解串器負責恢復攝像機中的圖像傳感器提供給串化器的時鐘，并將該時鐘與數據一起輸出以供處理器使用。與一個高速時鐘同時執行轉換操作的 10 或 12 根高速數據線是引發 EMI 的一個主要來源。為了降低該 EMI，DS90UB914A 具有一種使用擴頻時鐘和輸出數據（而不是圖像傳感器提供的低抖動時鐘）的選項。該擴頻時鐘通過解串器中的寄存器來控制。

結論

由于汽車越來越多地依賴電子產品來實現不限于娛樂和舒適功能的關鍵型汽車運轉，因此對于在存在干擾的情況下執行無差錯操作以及不對車內的其他系統產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，工程師們就可以設計穩健型系統，從而使汽車系統能夠不受 EMI 問題的干擾而可靠地工作。

參考文獻

1  CISPR 25 規范，ANSI eStandards Store。

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

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

4 作者：Brian C. Wadell，《傳輸線設計手冊》，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。