車載電子設(shè)備不可或缺的EMC/EMI

　　汽車產(chǎn)業(yè)與各家汽車制造商都必須符合多種電磁兼容性（EMC）要求，例如，其中有兩項(xiàng)要求在于確保電子系統(tǒng)不至于產(chǎn)生過(guò)多電磁干擾（EMI）或噪聲，同時(shí)也不受其他系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲影響。本文重點(diǎn)介紹這一部份的要求，并提供多項(xiàng)設(shè)計(jì)技巧，確保設(shè)備設(shè)計(jì)符合EMC/EMI要求。

　　車用EMC要求概述

　　CISPR 25標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)含多項(xiàng)測(cè)試方法與建議限制，以評(píng)估即將安裝在車內(nèi)的零組件輻射排放量。除了CISPR25提供的內(nèi)容，多數(shù)車廠亦自定義標(biāo)準(zhǔn)，以補(bǔ)充CISPR 25指南，CISPR 25測(cè)試的主要目的在于確保零組件安裝后，也不會(huì)干擾車內(nèi)其他系統(tǒng)。CISPR 25要求測(cè)試時(shí)，室內(nèi)電磁噪聲值必須比實(shí)測(cè)的最低值更低6dB，在這項(xiàng)測(cè)試的噪聲值要求最低為18dB（μV/m），而環(huán)境值需在12dB（μV/m）以下，相當(dāng)于一般AM電臺(tái)距天線一公里的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

　　在當(dāng)今的環(huán)境中，滿足這項(xiàng)要求的唯一方法是使用經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)及興建的空間，才能確保測(cè)試環(huán)境不受外在磁場(chǎng)影響。測(cè)試實(shí)驗(yàn)室一般皆有固定規(guī)格，由于必須保護(hù)測(cè) 試空間不受室內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)反射干擾，因此測(cè)試室在選用墻面材質(zhì)時(shí)，必須著重于不反射電磁波的要求。測(cè)試實(shí)驗(yàn)室造價(jià)不斐，通常以每小時(shí)租用計(jì)。為了 節(jié)省成本，最好能在設(shè)計(jì)時(shí)間先評(píng)估EMC/EMI議題，以便一次測(cè)試就成功。

　　另一項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為ISO 11452-4大電流注入（BCI）測(cè)試序列，可驗(yàn)證零組件是否受到窄頻電磁場(chǎng)影響，過(guò)程中使用電流探棒，將干擾信號(hào)直接導(dǎo)入電路。

　　成功實(shí)現(xiàn)EMC測(cè)試的設(shè)計(jì)技巧

　　保持較小回路：磁場(chǎng)成形后，由傳導(dǎo)材料形成的回路可做為天線，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為流經(jīng)回路的電流，電流強(qiáng)度與封閉回路區(qū)域大小成正比，因此要盡量避免回路產(chǎn)生，所需封閉區(qū)域也愈小愈好。若有差分?jǐn)?shù)據(jù)訊號(hào)，就可能在差分線路的發(fā)送器與接收器之間出現(xiàn)回路。

　　若兩項(xiàng)子系統(tǒng)共享電路（如顯示器與驅(qū)動(dòng)顯示器的引擎控制單元），也很容易出現(xiàn)回路。汽車底盤內(nèi)含共同接地（GND），連接顯示器與系統(tǒng)的引擎控制單元 （ECU），當(dāng)視頻信號(hào)以自有接地電路鏈接至顯示器，就會(huì)在接地平面內(nèi)產(chǎn)生大型回路。這種情況有時(shí)無(wú)法避免，若是在接地聯(lián)機(jī)內(nèi)增加電感或磁珠，雖然DC回 路仍會(huì)存在，但以射頻（RF）輻射而言，回路已經(jīng)破壞。

　　此外，只要訊號(hào)送至雙絞線電纜，每組差分驅(qū)動(dòng)器/接收器就會(huì)形成回路，通常因?yàn)殡p絞線耦合緊密，這個(gè)回路會(huì)在電路上占據(jù)一小塊區(qū)域，但只要訊號(hào)抵達(dá)電路板，應(yīng)維持緊密耦合，以避免擴(kuò)大回路范圍。

　　旁路電容不可或缺：CMOS電路頗受歡迎，部份原因在于其高速及功率耗散極低，理想情況下，CMOS電路只有在改變狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)電容需要充電或放電時(shí)，才會(huì)消耗功率。以供電而言，CMOS電路平均若需要10mA，在頻率轉(zhuǎn)換階段的電流需求以倍數(shù)計(jì)，而在周期之間的需求則很低，因此，輻射限制途徑著重于電壓與電流峰值，而非平均值。

　　頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中，從電源到芯片電源針腳的電流突增即為輻射一大來(lái)源。若在每個(gè)電源針腳旁安裝旁路電容，芯片在頻率邊緣所需的電流將直接取自電容，而電容內(nèi)的電荷則趁著周期之間使用較低、較穩(wěn)定的電流累積。較大電容適合供應(yīng)高電流突增，但對(duì)超高速需求則常反應(yīng)不及；超小型電容能迅速因應(yīng)需求，但總充電量有限， 很快就會(huì)耗盡。對(duì)多數(shù)電路而言，最佳解決方案為并用不同尺寸的電容，例如1-μF與0.01-μF的電容，將較小型電容緊靠著芯片的電源針腳，而較大型電容可距離較遠(yuǎn)。

　　良好阻抗降低EMI：當(dāng)高速訊號(hào)通過(guò)傳輸線，遇上特性阻抗改變時(shí)，部份訊號(hào)會(huì)反射回源頭，其余維持原有方向不變。反射也就導(dǎo)致輻射，為了達(dá)到低EMI，必須采用優(yōu)良的高速設(shè)計(jì)。有關(guān)傳輸線電源的設(shè)計(jì)信息眾多，以下提供幾項(xiàng)設(shè)計(jì)傳輸線的建議要點(diǎn)：

　　1在接地平面與訊號(hào)走線之間存在訊號(hào)，若任一方受到干擾，輻射就會(huì)產(chǎn)生，故需注意接地平面斷流器，或是訊號(hào)走線以下不連貫問(wèn)題。

　　2避免訊號(hào)走線出現(xiàn)銳角，圓弧遠(yuǎn)優(yōu)于直角。

　　4FPD-Link訊號(hào)通常會(huì)經(jīng)過(guò)零組件，例如電源供應(yīng)纜線、電源連接點(diǎn)、AC耦合電容等，為減少零組件反射率，建議使用0402尺寸的小型零組件，并設(shè)定走線寬度與0402零組件相同；此外，還必須通過(guò)控制堆棧里的電介質(zhì)厚度設(shè)定走線的特性阻抗。

　　屏蔽保護(hù)：理想的屏蔽方法并沒(méi)有什么快捷方式，但必須以盡可能降低輻射為目標(biāo)，在可能引發(fā)問(wèn)題的電路周圍實(shí)施保護(hù)措施。雖然它仍可能輻射能量，但理想的屏蔽方式能夠在輻射散逸出來(lái)以前加以擷取并導(dǎo)向接地，圖2說(shuō)明遮蔽如何控制EMI。

　　屏蔽形式不一，可以將系統(tǒng)封鎖在傳導(dǎo)箱中，或是以金屬材質(zhì)量身訂做，焊接在輻射源頭外圍。

　　切勿過(guò)快：設(shè)計(jì)人員常會(huì)擔(dān)心時(shí)間誤差，因此選擇最快邏輯組件來(lái)縮小時(shí)間誤差，但超快邏輯組件的脈沖邊緣陡峭，且頻率非常高，往往會(huì)產(chǎn)生EMI。若想減少系統(tǒng)EMI量， 可選擇符合時(shí)間需求的低速邏輯組件，或者許多FPGA可降低驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，借此降低邊緣速率。有時(shí)亦可使用邏輯電路上的串聯(lián)電阻，減低系統(tǒng)訊號(hào)內(nèi)的轉(zhuǎn)換速率。

　　接地電路短：電流進(jìn)入芯片后都會(huì)流出，本文介紹的幾項(xiàng)設(shè)計(jì)技巧中，和芯片連接距離都很近，例如旁路電容接近芯片、回路愈小愈好等，但設(shè)計(jì)人員常忘記接地電流路徑必須回到 源頭。在理想情況下，電路板有一層專用于接地，與GND的路徑也該和取道相去不遠(yuǎn)。但在有些電路板的配置中，接地平面設(shè)有斷流器，會(huì)迫使接地電流從芯片返 回電源時(shí)選用較長(zhǎng)路徑，而GND電流使用這條路徑時(shí)，也會(huì)如天線般傳送或接收噪聲。

　　供電線電感：前面曾說(shuō)明利用旁路電容抵銷電流突增的沖擊，這在供電線上的電感功能也是相同的。在電源在線設(shè)置電感或鐵氧磁珠后，強(qiáng)制與電源線相連的電路自旁路電容汲取電源，而非直接向電源取電，從而滿足其動(dòng)態(tài)功率需求。

　　開(kāi)關(guān)電源輸入限制：為了解決EMI問(wèn)題，必須盡可能降低dv/dt與di/dt，DC/DC轉(zhuǎn)換器看似完全無(wú)害，但它其實(shí)無(wú)法直接從DC轉(zhuǎn)換至DC，而是從DC至AC再轉(zhuǎn)換至DC，在轉(zhuǎn)換期間，AC就可能產(chǎn)生EMI問(wèn)題。

　　車用設(shè)計(jì)人員常擔(dān)心AM無(wú)線電頻段會(huì)造成干擾，車輛大多數(shù)均配備AM無(wú)線電，這種高增益放大器相當(dāng)敏感，可調(diào)諧頻率范圍介于500kHz至1.5MHz之 間，若組件在此頻率內(nèi)發(fā)送訊號(hào)，就可能在AM無(wú)線電中聽(tīng)見(jiàn)。許多開(kāi)關(guān)電源的頻率都位于此頻段中，可能對(duì)汽車應(yīng)用造成問(wèn)題，故多數(shù)車用開(kāi)關(guān)換電源均使用高于 此頻段以上的切換頻率——通常是超過(guò)2MHz，若開(kāi)關(guān)電源的輸入或輸出過(guò)濾不足，部份噪聲就可能進(jìn)入對(duì)基頻或次諧波頻率敏感的子系統(tǒng)。

　　注意共振：電感與電容經(jīng)常用于避免可能發(fā)生EMI的dv/dt及di/dt問(wèn)題，但電感與電容也可能造成自共振，不過(guò)，通過(guò)增加電阻與電感并聯(lián)，吸收振蕩產(chǎn)生的能量，可避免引發(fā)問(wèn)題。另一種潛在問(wèn)題來(lái)自串聯(lián)電感（獨(dú)立組件或電源線的寄生電感）連接至具有旁路電容的組件，由此形成的L-C電路可能在共振頻率中振蕩，同樣地，這項(xiàng)問(wèn)題也可藉由增設(shè)與電感并聯(lián)的電阻加以解決。

　　展頻頻率降低峰值輻射：在FPD-Link串行/解串行器（SerDes）等組件中，數(shù)據(jù)總線與頻率通常具備展頻頻率選項(xiàng)，在展頻頻率中，頻率訊號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)變，導(dǎo)致頻率與數(shù)據(jù)訊號(hào)的邊緣涵蓋的頻段更加廣泛，由于EMI規(guī)格可限制頻段內(nèi)任何頻率的峰值輻射，因而擴(kuò)大頻段覆蓋范圍有助于降低噪聲峰值。

　　DS90UB914A-Q1解串行器即為一例，它通常搭配DS90UB913A-Q1串行器使用，在先進(jìn)駕駛輔助（ADAS）系統(tǒng)的攝影機(jī)與處理器之間建立視訊鏈接，解串行器將攝影機(jī)的影像傳感器頻率送至串行器，并輸出頻率與數(shù)據(jù)供處理器使用。高速頻率內(nèi)同時(shí)轉(zhuǎn)換的10至12條高速資源電路，即為EMI的一大主要來(lái)源，為了降低此EMI，DS90UB914A可在輸入數(shù)據(jù)內(nèi)使用展頻頻率，而非影像傳感器提供的低抖動(dòng)頻率，該展頻頻率透過(guò)解串行器的緩存器進(jìn)行控制。

　　當(dāng)今的汽車除了娛樂(lè)及舒適功能外，許多重要運(yùn)作也仰賴電子設(shè)備，更需要確保運(yùn)作不因干擾出錯(cuò)，以及不至于干擾車內(nèi)的其他系統(tǒng)。工程師可遵循文中介紹的訣竅與技巧，并慎選適當(dāng)組件，即可設(shè)計(jì)出更穩(wěn)健的系統(tǒng)，確保車用系統(tǒng)不受EMI問(wèn)題干擾，從而更加可靠地運(yùn)作。