汽車(chē)系統(tǒng)ASIC、ASSP和電磁兼容性設(shè)計(jì)

現(xiàn)代汽車(chē)中的電子設(shè)備不斷增多，因而越來(lái)越需要采用良好的設(shè)計(jì)，以滿足主要的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時(shí)，越來(lái)越高的集成度也讓汽車(chē)設(shè)計(jì)師們急需系統(tǒng)芯片專(zhuān)用集成電路和專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案，它們可以替換多個(gè)分立元件。本文探討了汽車(chē)設(shè)計(jì)師所面臨的一些電磁兼容性和集成電路(IC)問(wèn)題。

現(xiàn)代汽車(chē)中的電子設(shè)備在以持續(xù)強(qiáng)勁的勢(shì)頭不斷發(fā)展著 — 工程師們?yōu)槠?chē)的舒適、安全、娛樂(lè)、動(dòng)力傳動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)管理、穩(wěn)定和控制應(yīng)用研制出越來(lái)越復(fù)雜的解決方案。而且，先進(jìn)的電子設(shè)備也得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。因此，如今甚至是最為普通的汽車(chē)也裝配有在幾年前還只專(zhuān)屬于高端汽車(chē)的電子設(shè)備。

在過(guò)去，舒適和方便性等非關(guān)鍵應(yīng)用促進(jìn)了汽車(chē)電子應(yīng)用的發(fā)展。就像電動(dòng)窗或中控鎖一樣，這些電子應(yīng)用只是替換了現(xiàn)有的機(jī)械系統(tǒng)。最近，汽車(chē)電子設(shè)備的范圍擴(kuò)展至支持一些關(guān)鍵的應(yīng)用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化、主動(dòng)與被動(dòng)安全系統(tǒng)和包括全球定位系統(tǒng)在內(nèi)的一些先進(jìn)的信息娛樂(lè)系統(tǒng)。

我們目前正在進(jìn)入汽車(chē)電子發(fā)展的第三個(gè)階段。在這一階段，電子設(shè)備不僅僅起到支持關(guān)鍵功能的作用，而且是控制這些關(guān)鍵功能 — 不論是提供重要的駕駛員信息和控制發(fā)動(dòng)機(jī)，還是防撞擊探測(cè)與預(yù)防、進(jìn)行線控制動(dòng)與駕駛和智能化氣候控制等。正像您想象的那樣，這些應(yīng)用需要成本低、安裝簡(jiǎn)便， 并且智能化和穩(wěn)定性越來(lái)越高的電子解決方案。

速度和成本因素促進(jìn)了“通用型”嵌入式硬件電子平臺(tái)的誕生。這些平臺(tái)可提供基本的或常見(jiàn)的硬件功能，并且可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用軟件定制提供同一汽車(chē)系列中不同型號(hào)所需要的功能，甚至也可為不同的汽車(chē)制造商定制功能。系統(tǒng)芯片(SoC)半導(dǎo)體解決方案將多種功能集成在一個(gè)集成電路中，這樣可減少組件數(shù)量和降低空間要求，同時(shí)確保長(zhǎng)期可靠性，這對(duì)于開(kāi)發(fā)成功的通用型嵌入式電子平臺(tái)極為重要。

電磁兼容性

隨著汽車(chē)電子設(shè)備的不斷增多和復(fù)雜電子模塊在汽車(chē)各個(gè)部位的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電磁兼容性問(wèn)題也越來(lái)越成為工程師們所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其中三個(gè)主要問(wèn)題是：

(a) 如何將電磁敏感度降到最低，以使電子設(shè)備不受手機(jī)、全球定位系統(tǒng)或信息娛樂(lè)設(shè)備等其它電子系統(tǒng)的電磁發(fā)射的影響。

(b) 如何保護(hù)電子設(shè)備不受惡劣汽車(chē)環(huán)境的影響，包括供電系統(tǒng)的瞬變和開(kāi)關(guān)燈和起動(dòng)電機(jī)等大負(fù)載或電感負(fù)載時(shí)的干擾。

(c) 如何盡量減少可對(duì)其它汽車(chē)電子電路造成影響的電磁發(fā)射。

而且，隨著系統(tǒng)電壓的增加、車(chē)輛電子設(shè)備的增多和更多高頻電子設(shè)備造成的頻率上升，這些問(wèn)題也變得越來(lái)越富挑戰(zhàn)性。此外，許多電子模塊現(xiàn)在也會(huì)與線性度差和零點(diǎn)偏移大的低功率廉價(jià)傳感器進(jìn)行接口。這些傳感器依賴小信號(hào)，電磁干擾對(duì)它們的正常工作將是災(zāi)難性的。

兼容性測(cè)試、預(yù)兼容性測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)

這些問(wèn)題意味著汽車(chē)電磁兼容性測(cè)試已成為汽車(chē)設(shè)計(jì)的基本要素。兼容性測(cè)試已在汽車(chē)制造商、他們的供應(yīng)商和各立法機(jī)構(gòu)間標(biāo)準(zhǔn)化。越晚發(fā)現(xiàn)電磁兼容性問(wèn)題，就越難識(shí)別其根本原因 ，解決方案也可能將更為有限和昂貴。因此，在流程的所有階段均考慮電磁兼容性問(wèn)題是一個(gè)基本做法---從集成電路設(shè)計(jì)和印刷電路板布局到模塊安裝和最終的汽車(chē)布局設(shè)計(jì)。為了簡(jiǎn)化這一流程，在模塊和集成電路階段考慮電磁兼容性問(wèn)題的預(yù)兼容性測(cè)試已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。

設(shè)計(jì)符合電磁兼容性要求的集成電路和模塊

對(duì)于集成電路來(lái)說(shuō)，有三種主要的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)： 電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn) - IEC 61967：測(cè)量150千赫至1千兆赫范圍內(nèi)的輻射和傳導(dǎo)性電磁發(fā)射電磁敏感度標(biāo)準(zhǔn) - IEC 62132：測(cè)量150千赫至1千兆赫范圍內(nèi)的電磁抗擾性 瞬態(tài)標(biāo)準(zhǔn) - ISO 7637：道路車(chē)輛的傳導(dǎo)和耦合造成的電氣干擾。
那么，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師如何確保他們的系統(tǒng)芯片和最終的模塊滿足以上標(biāo)準(zhǔn)？傳統(tǒng)的SPICE模型等此時(shí)已毫無(wú)用處，因?yàn)殡姶艌?chǎng)與SPICE模擬環(huán)境不兼容。因?yàn)樾酒驼麄€(gè)組件的尺寸遠(yuǎn)小于電磁信號(hào)的波長(zhǎng)（1千兆赫時(shí)波長(zhǎng)為30厘米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于集成電路尺寸），在集成電路水平，電磁場(chǎng)僅使用電場(chǎng)建立模型是足夠準(zhǔn)確的。值得注意的是，輻射發(fā)射和敏感度對(duì)于集成電路來(lái)說(shuō)并不是主要問(wèn)題；而主要問(wèn)題的是傳導(dǎo)發(fā)射和對(duì)印刷電路板和線束上有效天線的敏感性。

采用幾種技術(shù)來(lái)確保滿足電磁兼容性的要求，我們將逐一看看電磁發(fā)射和電磁敏感度這兩個(gè)問(wèn)題。

電磁發(fā)射

電磁發(fā)射由作為天線的外部環(huán)路中的高頻電流而產(chǎn)生。這些高頻電流的來(lái)源包括對(duì)如數(shù)字信號(hào)處理和時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器這樣的核心數(shù)字邏輯的翻轉(zhuǎn)(同步邏輯會(huì)產(chǎn)生含有大量高頻成分的又大又尖的電流峰值)、模擬電路的動(dòng)作、開(kāi)關(guān)數(shù)字輸入/輸出腳和為印刷電路板及線束提供高電流峰值的高功率輸出驅(qū)動(dòng)器。為了盡量減少這些因素的影響，設(shè)計(jì)師應(yīng)該在盡可能的情況下使用低功率電路，這可能包括降低或使用自適應(yīng)電源電壓或?qū)r(shí)鐘信號(hào)分布在整個(gè)頻域內(nèi)的架構(gòu)。通過(guò)關(guān)閉數(shù)字系統(tǒng)中不用的部分也可減少一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)開(kāi)關(guān)元件的數(shù)量。除此以外，對(duì)時(shí)鐘和驅(qū)動(dòng)器信號(hào)上升/下降沿斜率加以控制以放緩開(kāi)關(guān)邊緣并提供軟開(kāi)關(guān)特性也有助于減少電磁發(fā)射。最后，設(shè)計(jì)師也應(yīng)仔細(xì)研究外部的和芯片的布局方法。例如，使用“雙絞”線的差分輸出信號(hào)產(chǎn)生的電磁發(fā)射更少，對(duì)電磁發(fā)射也更不敏感。確保電源和地彼此靠近和使用高效電源去耦也是減少電磁發(fā)射的簡(jiǎn)單方法。

電磁敏感度

整流/抽運(yùn)、寄生器件、電流和功率消耗是低電磁敏感度的三個(gè)最嚴(yán)重的干擾效應(yīng)。高頻電磁功率部分由集成電路吸收，因而可造成一些干擾，包括向高阻抗節(jié)點(diǎn)輸出高頻高電壓和向低阻抗節(jié)點(diǎn)輸出高頻大電流。

盡量減少電磁敏感度影響的一個(gè)重要方法是讓電路對(duì)稱(chēng)，從而避免整流的可能性。方法是使用差分電路拓樸結(jié)構(gòu)和布局。即使在應(yīng)用（如使用傳感器）中需要小信號(hào)，可處理較大共模信號(hào)的拓樸結(jié)構(gòu)也可在大范圍電磁信號(hào)的情況下幫助系統(tǒng)保持為線性狀態(tài)。通過(guò)濾波方式限制敏感裝置的頻率輸入范圍是經(jīng)常使用的另一種方法 ，特別是采用片上濾波器。采用高共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSRR)設(shè)計(jì)也可讓電路避免發(fā)生整流現(xiàn)象，減小內(nèi)部節(jié)點(diǎn)阻抗和將所有敏感節(jié)點(diǎn)放在芯片上也會(huì)產(chǎn)生此效果。最后，為了避免或控制寄生器件和電流，使用保護(hù)裝置限制超越電磁敏感度抑制水平是非常重要的。這有助于避免整流并將信號(hào)電平保持成對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，盡量減少基板電流和放掉關(guān)鍵位置的電流也是十分重要的。

最新的半導(dǎo)體技術(shù)

許多設(shè)計(jì)師在利用混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)提供當(dāng)今汽車(chē)應(yīng)用所需要的系統(tǒng)芯片解決方案。最新的高壓混和信號(hào)技術(shù)特別適合于需要高電壓輸出的設(shè)計(jì) — 例如驅(qū)動(dòng)電機(jī)或起動(dòng)繼電器 — 并與模擬信號(hào)條件功能和復(fù)雜數(shù)字處理相結(jié)合。

安邁半導(dǎo)體公司(AMIS)所開(kāi)發(fā)的I2T和I3T系列即是最新高電壓混合信號(hào)專(zhuān)用集成電路技術(shù)的典范。I3T80基于0.35微米CMOS工藝，可處理的最大電壓為80伏，從而可以在一個(gè)集成電路中集成復(fù)雜數(shù)字電路、嵌入式微處理器、內(nèi)存、外設(shè)、高電壓功能和各種接口。

圖1：若干功能集成在用I3T80工藝制造的單顆芯片

圖1舉例說(shuō)明了若干功能集成在用I3T80工藝制造的單顆芯片，包括傳感器模擬接口（汽車(chē)應(yīng)用最常見(jiàn)的要求之一）、電機(jī)和傳動(dòng)裝置的高壓驅(qū)動(dòng)器和使用嵌入式16/32位ARM(tm)處理器內(nèi)核的數(shù)字處理電路。對(duì)于低功率處理需求，也提供8位嵌入式R8051處理器。如圖所示，AMIS可提供的其它‘標(biāo)準(zhǔn)’IP模塊包括計(jì)時(shí)器、脈寬調(diào)制 (PWM) 功能、用于簡(jiǎn)化設(shè)備測(cè)試的JTAG、接口和包括CAN總線與LIN總線通信選項(xiàng)的通信收發(fā)器。最后應(yīng)該指出的是，I3T技術(shù)含有內(nèi)置保護(hù)功能，可保護(hù)專(zhuān)用集成電路不因過(guò)電壓或電池錯(cuò)誤連接而受到損壞。

圖2：AMIS-30660與其它競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的電磁抗擾性能對(duì)比情況

AMIS使用了這一混合信號(hào)技術(shù)和本文所描述的許多電磁兼容性合理設(shè)計(jì)方法來(lái)為汽車(chē)工業(yè)開(kāi)發(fā)各種專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，包括AMIS-41682標(biāo)準(zhǔn)速度、AMIS-42665和AMIS-30660高速CAN收發(fā)器。這些器件在CAN控制器和物理總線間提供了接口，在 12伏和24伏汽車(chē)及需要最大速率為1兆波特CAN通信的工業(yè)應(yīng)用中可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并減少組件數(shù)量。例如，AMIS-30660完全符合ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)CAN控制器的發(fā)射和接收腳為CAN總線提供差分發(fā)信號(hào)能力。集成電路為設(shè)計(jì)師提供了3.3伏或5伏邏輯電平接口選擇，從而確保兼容現(xiàn)有的應(yīng)用和最新的低電壓設(shè)計(jì)。精心匹配的輸出信號(hào)將電磁發(fā)射減至最低，從而無(wú)需共模扼流圈；而接收器輸入的大共模電壓范圍（±35伏）確保了高電磁敏感度(EMS)。圖2顯示了AMIS-30660與其它競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的電磁抗擾性能對(duì)比情況。