汽車電子系統(tǒng)EMI/EMC測(cè)試之極近場(chǎng)EMI掃描技術(shù)

中心議題：

極近場(chǎng)EMI掃描技術(shù) EMI近場(chǎng)輻射特性

解決方案：

擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器（SSCG）的輻射特性掃描 對(duì)比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)

　　汽車廠商往往采用最新的消費(fèi)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果。

　　汽車電子系統(tǒng)對(duì)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(huì)）已經(jīng)定義測(cè)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(duì)其進(jìn)行了不斷的完善。采用極近場(chǎng)EM掃描技術(shù)，供應(yīng)商的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以通過一個(gè)桌面系統(tǒng)來計(jì)量并立即顯示輻射的空間和頻譜特性，避免以后在更高費(fèi)用的模塊、系統(tǒng)或整車級(jí)測(cè)試中出現(xiàn)問題。

　　本文討論幾個(gè)能夠展示這種測(cè)試價(jià)值的例子。第一個(gè)例子是關(guān)于“擴(kuò)頻時(shí)鐘發(fā)生器（SSCG）”的輻射特性，分別在“關(guān)”和“開”的狀況下對(duì)其掃描。在第二個(gè)例子中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)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(yàn)證了新一代功能及其優(yōu)勢(shì)，不但幫助客戶縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，并在客戶中產(chǎn)生了積極的影響。

極近場(chǎng)EMI掃描技術(shù)

　　快速磁性極近場(chǎng)測(cè)量?jī)x器可以捕獲和顯示頻譜和實(shí)時(shí)空間掃描結(jié)果的可視圖像。芯片廠商和PCB設(shè)計(jì)工程師可以掃描任何一塊電路板，并識(shí)別出50kHz至4GHz頻率范圍內(nèi)的恒定或時(shí)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(jì)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(jì)工程師都必須找出設(shè)計(jì)之外的輻射體或射頻泄漏，并對(duì)其進(jìn)行描述和處理以通過一致性測(cè)試?？赡艿妮椛潴w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(cè)試人員可以準(zhǔn)確地找出所有輻射問題的來源。設(shè)計(jì)工程師可以在采取了相應(yīng)的解決措施之后，對(duì)器件進(jìn)行重新測(cè)試并立即量化出校正設(shè)計(jì)后的效果。

　　掃描系統(tǒng)由一個(gè)掃描儀、小型適配器、一個(gè)客戶提供的頻譜分析儀和運(yùn)行掃描系統(tǒng)軟件的PC組成。臺(tái)式掃描儀包括2，436條回路，可產(chǎn)生1，218個(gè)間隔為7.5mm的磁場(chǎng)探針，形成一個(gè)電子開關(guān)陣列并提供高達(dá)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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，而不必依賴另外一個(gè)部門、測(cè)試工程師或進(jìn)行耗時(shí)的場(chǎng)外測(cè)試。工程師甚至可以在診斷一個(gè)間歇故障之后，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，很快再進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的結(jié)果可以對(duì)設(shè)計(jì)更改的影響進(jìn)行精確的驗(yàn)證。

　　借助掃描系統(tǒng)，電路板設(shè)計(jì)工程師可以預(yù)先測(cè)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(cè)試結(jié)果。掃描儀的診斷功能可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將輻射測(cè)試時(shí)間縮短兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

EMI近場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了SSCG功能。SSCG功能能夠通過將輻射峰值能量擴(kuò)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(shí)鐘中心頻率（中心擴(kuò)頻調(diào)制）附近，擴(kuò)展的頻譜為正或負(fù)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(shí)間調(diào)制時(shí)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(kuò)頻時(shí)鐘功能。

　　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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先在SSCG功能為“關(guān)”的情況下將待測(cè)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(jìn)行有效的對(duì)比，在打開SSCG功能的情況下，對(duì)同一待測(cè)器件進(jìn)行了掃描。

　　極近場(chǎng)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(jì)文件上，因此這樣對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可以立即確定待測(cè)器件中的具體輻射體。圖2顯示了SSCG功能為“關(guān)”時(shí)待測(cè)器件的輻射特性。

圖2：SSCG功能為“關(guān)”時(shí)測(cè)得的EMI輻射特性。

　　圖3為SSCG功能為“開”時(shí)待測(cè)設(shè)備輻射的空間和頻譜（幅度與頻率）特性。通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)輻射已經(jīng)顯著減少。

圖3：SSCG功能為“開”時(shí)的EMI輻射特性。

　　對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較之后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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。客戶支持團(tuán)隊(duì)每次向汽車廠商客戶展示這些結(jié)果時(shí)，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(shí)間、降低屏蔽和成本支出。

EMI近場(chǎng)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(gè)例子，該公司開發(fā)了一個(gè)通過串行解串器進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)牡诙酒M解決方案。在第三代芯片組中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用了一種不同的技術(shù)并升級(jí)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(shí)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(jì)的輻射特性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)再次使用了內(nèi)部的EMI極近場(chǎng)掃描儀。他們將原來的半雙工板放在掃描儀上，進(jìn)行基線測(cè)量。對(duì)待測(cè)器件加電后，他們?cè)赑C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(cè)試環(huán)境。

　　采用同樣的測(cè)試設(shè)置，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)用新一代全雙工芯片組板替代了基線板，同時(shí)也針對(duì)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(jì)文件上，以幫助工程師可以確定任何存在的輻射源。

　　基線（半雙工）系統(tǒng)的空間和頻譜特性如圖5所示。圖6展示了全雙工模式下的輻射掃描結(jié)果。

圖5：基線掃描結(jié)果：半雙工模式下的串行解串器。

圖6：輻射特性：全雙工模式下的串行解串器。

　　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)空間掃描結(jié)果和頻譜掃描結(jié)果進(jìn)行了仔細(xì)的對(duì)比。很多人可能認(rèn)為輻射特性會(huì)由于擴(kuò)展的雙向傳輸功能而呈現(xiàn)出更高的電磁輸出。而實(shí)際上，與基線相比，全雙工模式下沒有出現(xiàn)尖峰信號(hào)并且峰值輻射基本相似，甚至其EMI特性還略有改進(jìn)（空間掃描結(jié)果呈現(xiàn)更深的藍(lán)色）。測(cè)試結(jié)果證明全雙工模式的新芯片組未出現(xiàn)明顯的變化（見圖3），設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在沒有采取任何額外緩解措施的情況下實(shí)現(xiàn)了全雙工功能。

　　這些測(cè)試是利用這家半導(dǎo)體公司的內(nèi)部極近場(chǎng)掃描系統(tǒng)進(jìn)行的。在短短的幾分鐘內(nèi)，就獲得了上文所示的結(jié)果。因?yàn)檩椛涮匦越Y(jié)果清楚的展示了其優(yōu)越的性能，設(shè)計(jì)無需采取任何額外的緩解措施。

　　相比而言，要在第三方測(cè)試箱中測(cè)試新設(shè)計(jì)，就要求工程師前往場(chǎng)外測(cè)試場(chǎng)所，并會(huì)耗費(fèi)大半天的時(shí)間。使用測(cè)試箱往往需要提前幾周安排，這會(huì)給開發(fā)過程帶來極大的延誤。

　　極近場(chǎng)掃描解決方案不會(huì)替代在測(cè)試箱中測(cè)試設(shè)計(jì)的需求。不過，這種儀器可以在簡(jiǎn)便的桌面系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)快速的前后一致性測(cè)試功能。

　　與在測(cè)試箱中進(jìn)行的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量相比，極近場(chǎng)EMI特性可以提供實(shí)時(shí)反饋。此外，這些測(cè)量結(jié)果與在測(cè)試箱中測(cè)得的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果具有很高的相關(guān)性。因此，諸如EMxpert等極近場(chǎng)儀器可以減少在測(cè)試箱中進(jìn)行類似測(cè)試的數(shù)量?？傊@可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)加快測(cè)試進(jìn)程，更快地得到測(cè)試箱測(cè)試的一致性測(cè)試結(jié)果。

本文小結(jié)

　　汽車工程師不斷面臨著降低電磁干擾和確保所有汽車電子系統(tǒng)的電磁兼容的挑戰(zhàn)。如果引入了新器件但沒有進(jìn)行充分的測(cè)試，這些工作就會(huì)越來越困難。當(dāng)供應(yīng)商能夠有力證明新功能可以像上文的兩個(gè)例子所示一樣具有降低EMI的效果時(shí)，就能引起客戶極大的興趣。

　　在上文的兩個(gè)例子中，供應(yīng)商提供的結(jié)果顯示采用了SSCG功能可以降低EMI，同時(shí)在新一代串行解串器例子中其輻射特性則沒有變化。因此，極近場(chǎng)EM掃描可以縮短每個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，無需采取任何額外措施并為汽車廠商降低成本。

　　對(duì)于供應(yīng)商而言，極近場(chǎng)EMI掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)極具說服力的頻譜掃描，并且可以直觀的把空間掃描結(jié)果疊加在Gerber設(shè)計(jì)文件上。這些功能可以幫助設(shè)計(jì)工程師記錄和測(cè)量其產(chǎn)品新功能組的EMI特性。設(shè)計(jì)工程師繼而可以在采取了新的緩解措施或者其它設(shè)計(jì)變更后快速的進(jìn)行重新測(cè)試。因此，供應(yīng)商設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，而極具說服力的掃描結(jié)果可以使方案得到汽車廠商更快的采納。