1、引言

隨著集成電路集成度的提高，越來越多的元件集成到芯片上，電路功能變得復(fù)雜，工作電壓也在降低。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電路里產(chǎn)生的信號(hào)或噪聲與同一個(gè)芯片內(nèi)另一個(gè)電路的運(yùn)行彼此干擾時(shí)，就產(chǎn)生了芯片內(nèi)的EMC問題，最為常見的就是SSN(Simultaneous Switch Noise，同時(shí)開關(guān)噪聲)和Crosstalk(串音)，它們都會(huì)給芯片正常工作帶來影響。由于集成電路通過高速脈沖數(shù)字信號(hào)進(jìn)行工作，工作頻率越高產(chǎn)生的電磁干擾頻譜越寬，越容易引起對(duì)外輻射的電磁兼容方面問題。基于以上情況，集成電路本身的電磁干擾(EMI)與抗擾度(EMS)問題已成為集成電路設(shè)計(jì)與制造關(guān)注的課題。

集成電路電磁兼容不僅涉及集成電路電磁干擾與抗擾度的設(shè)計(jì)和測(cè)試方法，而且有必要與集成電路的應(yīng)用相結(jié)合。針對(duì)汽車電子領(lǐng)域來講，將對(duì)整車級(jí)、零部件級(jí)的電磁兼容要求強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合到集成電路的設(shè)計(jì)中，才能使電路更易于設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)的最終產(chǎn)品。作為電子控制系統(tǒng)里面最為關(guān)鍵的單元——微控制器(MCU)，其EMC性能的好壞直接影響各個(gè)模塊與系統(tǒng)的控制功能。

本文在汽車電子MCU 中采用抗EMI的設(shè)計(jì)方法，依據(jù)IEC61967傳導(dǎo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)汽車電子MCU進(jìn)行電磁干擾的測(cè)試。

2、汽車電子MCU設(shè)計(jì)方法

下面介紹在汽車電子MCU中使用的可行性設(shè)計(jì)方法以及其他幾種抗EMI設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

由于時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)一般都是周期信號(hào)，其頻譜是離散的，離散譜的能量集中在有限的頻率上。又由于系統(tǒng)中各個(gè)部分的時(shí)鐘信號(hào)通常由同一時(shí)鐘分頻、倍頻得到，它們的譜線之間也是倍頻關(guān)系，重疊起來進(jìn)而增大輻射的幅值，因此說時(shí)鐘電路是一個(gè)非常大的污染源。

針對(duì)汽車電子MCU 數(shù)字前端設(shè)計(jì)，在抗EMI方面采用門控時(shí)鐘的方法改進(jìn)。任何時(shí)鐘在不需要時(shí)都應(yīng)關(guān)閉，減低工作時(shí)鐘引起的電磁發(fā)射問題。根據(jù)A8128(汽車電子MCU的型號(hào))芯片系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求，采用Run、Idle、Stop和Debug四種工作模式，在每一種工作模式下針對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、外設(shè)模塊時(shí)鐘進(jìn)行適當(dāng)門控。此外，還有幾種在時(shí)鐘方面常見的抗EMI的設(shè)計(jì)方法，包括:

①降低工作頻率

MCU的工作時(shí)鐘應(yīng)該設(shè)定為滿足性能要求所需的最低頻率。從下面的測(cè)試結(jié)果可以看出，一個(gè)MCU的運(yùn)行頻率由80MHz變?yōu)?0MHz，可以使頻譜寬頻范圍內(nèi)的干擾峰值產(chǎn)生幾十dBμV 的衰減，而且能夠有效的降低功耗。

②異步設(shè)計(jì)

異步電路工作沒有鎖定一個(gè)固有頻率，電磁輻射大范圍均勻分布而不會(huì)集中在特定的窄帶頻譜中。這一關(guān)鍵本質(zhì)特征決定了即使異步電路使用大量的有源門電路，它所產(chǎn)生的電磁發(fā)射也要比同步電路小。

③擴(kuò)展頻譜

擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘是一項(xiàng)能夠減小輻射測(cè)量值的技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行1%~2%的調(diào)制，擴(kuò)散諧波分量，在CISPR16或FCC發(fā)射測(cè)試中峰值較低，但這并非真正減小瞬時(shí)發(fā)射功率。因此，對(duì)一些快速反應(yīng)設(shè)備仍可能產(chǎn)生同樣的干擾。擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘不能應(yīng)用于要求嚴(yán)格的時(shí)間通信網(wǎng)絡(luò)中，比如FDD、以太網(wǎng)、光纖等。

2.2 IO端口設(shè)計(jì)

在汽車電子MCU 的輸入輸出端口設(shè)計(jì)中，也加入了抗EMI方案，包括翻轉(zhuǎn)速率(slew rate control)和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度(drive strength)控制方法。通過在所有通用P口引入可配置的翻轉(zhuǎn)速率和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度寄存器，在需要的時(shí)候打開相應(yīng)功能。翻轉(zhuǎn)速率有打開和關(guān)閉兩種選擇，打開后能夠有效地平緩上升沿或者下降沿，降低瞬態(tài)電流，進(jìn)而控制芯片產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度。驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流和弱驅(qū)動(dòng)電流兩種選擇，在能夠滿足工作驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的情況下，選擇弱電流驅(qū)動(dòng)會(huì)更好的控制電磁干擾現(xiàn)象。

另外，基于GSMC 180nm工藝庫，選擇具有施密特觸發(fā)特性的IO，可以有效地平緩輸入信號(hào)中帶進(jìn)來的尖峰或者噪聲信號(hào)等，對(duì)芯片的電磁抗擾度有所幫助。

3、汽車電子MCU測(cè)試方案

IEC61967標(biāo)準(zhǔn)是國際電工委員會(huì)制定的有關(guān)集成電路電磁發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)，用于頻率為150kHz到1GHz的集成電路電磁發(fā)射測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)中涉及到輻射和傳導(dǎo)兩類測(cè)試方法，由于傳導(dǎo)方式的電磁干擾帶給芯片應(yīng)用上的影響更大一些，本次試驗(yàn)選取IEC61967-4直接耦合法進(jìn)行測(cè)試。該方法又分為1Ω測(cè)試法和150Ω測(cè)試法，1Ω測(cè)試法用來測(cè)試接地引腳上的總干擾電流，150Ω測(cè)試法用來測(cè)試輸出端口的干擾電壓。

在測(cè)試時(shí)，需要在進(jìn)行測(cè)試的電路中接入串聯(lián)電阻為1Ω的電流探針(探針即為1Ω測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)集成在EMC測(cè)試板的芯片地端與PCB地平面之間)，49Ω串聯(lián)放置為了形成50Ω匹配，用接收機(jī)測(cè)量射頻電流流經(jīng)該電阻時(shí)產(chǎn)生的射頻電壓，所測(cè)得的電壓應(yīng)為所有流回到集成電路的射頻電流在電流探頭上產(chǎn)生電壓的總和，測(cè)得的電壓值可以換算為流過探針的電流，測(cè)試環(huán)境圖如圖1所示。

圖1 1Ω測(cè)試環(huán)境

在150Ω測(cè)試中，集成電路的引腳通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的匹配網(wǎng)絡(luò)接到測(cè)試接收機(jī)，通過150Ω探針(探針即為150Ω測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)集成在EMC測(cè)試板上)可以測(cè)量SSN在輸入輸出端口和電源兩類引腳上的傳導(dǎo)干擾，通過計(jì)算可以將接收機(jī)測(cè)量的電壓轉(zhuǎn)換為噪聲電壓幅值，測(cè)試環(huán)境圖如圖2所示。

圖2 150Ω測(cè)試環(huán)境

下面是針對(duì)EMI進(jìn)行的1Ω和150Ω測(cè)試步驟，包括測(cè)試前準(zhǔn)備工作以及測(cè)試數(shù)據(jù)分析等。

3.1 測(cè)試前裝備工作

①環(huán)境溫度

本次實(shí)驗(yàn)集中在晚間進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)溫度控制在23±2℃范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

②環(huán)境噪聲電平

將DUT(被測(cè)設(shè)備)固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上且為斷電狀態(tài)，用EMI接收機(jī)測(cè)量殘留噪聲。本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境噪聲電平在可接受的測(cè)試要求內(nèi)，詳情請(qǐng)參看圖6。

③其他環(huán)境條件

所有其他可能影響測(cè)試結(jié)果的環(huán)境條件，例如環(huán)境濕度。本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的相對(duì)濕度為45%RH左右。

④確認(rèn)工作狀態(tài)

給DUT供電并檢查確認(rèn)IC處于正常的工作狀態(tài)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)時(shí)保持周圍的測(cè)試條件不變。

3.2 1Ω測(cè)試

(1)將SMA連接線一端連接到測(cè)試板，另一端連接到接收機(jī)(安捷倫N9030，內(nèi)置N141A電磁兼容測(cè)試軟件)，將EMI接收機(jī)的測(cè)量頻率范圍設(shè)置為150kHz到1GHz，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試操作的要求，分成150kHz~30MHz(RBW 為9kHz)和30MHz~1GHz(RBW 為120kHz)兩段。下面測(cè)試圖中綠色邊框范圍內(nèi)的是150kHz~30MHz，范圍外的是30MHz~1GHz。

結(jié)合汽車電子MCU 端口特性以及標(biāo)準(zhǔn)要求，將接地端口與1Ω網(wǎng)絡(luò)相連，再與SMA口相接，引入EMI接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，原理圖如圖3、圖4所示。

圖3 芯片的地網(wǎng)絡(luò)引腳

圖4 1Ω網(wǎng)絡(luò)

(2)選取可能影響EMC特性的因素，在時(shí)鐘上分別測(cè)試10MHz、20MHz以及77MHz頻率下電磁干擾大小數(shù)值，在測(cè)試功能上選取模數(shù)轉(zhuǎn)換程序ADC;

(3)測(cè)量每一段頻譜內(nèi)可能出現(xiàn)的干擾，提取各個(gè)諧波的包絡(luò)值，接收機(jī)的電壓可以換算為流過探針的電流。測(cè)試儀器以及EMC測(cè)試板如圖5所示;

圖5 實(shí)際測(cè)試環(huán)境

(4)在對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)試的時(shí)候要進(jìn)行多次測(cè)量，以便排除偶然因素的干擾。下面是各個(gè)測(cè)試情況的說明;

①時(shí)鐘采用外部晶振10MHz，燒錄SRAM 中的程序?yàn)锳DC。圖6左側(cè)為未上電時(shí)的環(huán)境噪聲信號(hào)，右側(cè)為上電但未運(yùn)行程序的測(cè)量結(jié)果。

圖6 斷電vs.上電

通過對(duì)比可以得出上電之后在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)干擾強(qiáng)度變大，時(shí)鐘的固定周期將使電磁輻射集中在時(shí)鐘基波和諧波附近很窄的頻譜范圍內(nèi)。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開公式可以得出，在時(shí)鐘倍頻處的頻點(diǎn)其干擾值也越大，所以在10MHz、20MHz等倍頻點(diǎn)處的現(xiàn)象更明顯，