EMC/EMI設(shè)計(jì)的十個(gè)技巧

編者注：本文來(lái)自TI的工程師 Mark Sauerwald，感謝TI公司的無(wú)私奉獻(xiàn)！

引言

汽車行業(yè)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(xiàng)要求是確保電子系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的電磁干擾 (EMI)或噪聲，以及必需能夠免受其他系統(tǒng)所產(chǎn)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(shè)備設(shè)計(jì)符合這些要求的技巧和方法。

EMC 要求概述

CISPR 25 是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，其提出了幾種配有建議限值的測(cè)試方法，用以對(duì)某個(gè)即將安裝到汽車上的組件所產(chǎn)生的輻射發(fā)射進(jìn)行評(píng)估。除了 CISPR 25 為制造商提供的指導(dǎo)之外，大多數(shù)制造商還擁有一套自己的標(biāo)準(zhǔn)作為CISPR 25 指導(dǎo)準(zhǔn)則的補(bǔ)充。CISPR 25 測(cè)試的主要目的是確保即將安裝到汽車中的組件不會(huì)干擾車內(nèi)的其他系統(tǒng)。

CISPR 25 要求執(zhí)行測(cè)試的房間里的電磁噪聲電平必須至少比實(shí)測(cè)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(chǎng)所，因此需要一個(gè)低于 12 dB (μV/m) 的環(huán)境噪聲電平。作為參考，這大約相當(dāng)于距離天線 1 km 以外的一個(gè)典型 AM 廣播電臺(tái)的場(chǎng)強(qiáng)。

在當(dāng)今的環(huán)境中，滿足該要求的唯一辦法就是在一個(gè)專為把測(cè)試環(huán)境與外界電磁場(chǎng)加以屏蔽而設(shè)計(jì)和建造的特殊房間里進(jìn)行測(cè)試。此外，由于正常的預(yù)算都要求對(duì)測(cè)試室的大小做一定的限制，故而應(yīng)避免測(cè)試環(huán)境遭受測(cè)試室內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)反射的不良影響，這一點(diǎn)很重要。于是，測(cè)試室的墻壁必須鑲嵌有某種不會(huì)反射電磁 (EM) 波的材料。測(cè)試室的造價(jià)十分昂貴，其通常是按小時(shí)來(lái)租用的。為了節(jié)省成本，最好是在設(shè)計(jì)階段即對(duì) EMC/EMI 問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估，從而在測(cè)試室中實(shí)現(xiàn)一次成功。

另一種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是 ISO 11452-4 大電流注入 (BCI) 系列測(cè)試，其用于驗(yàn)證某個(gè)組件是否受到了窄帶電磁場(chǎng)的不利影響。測(cè)試是通過(guò)利用一個(gè)電流探針將擾動(dòng)信號(hào)直接感應(yīng)到線束中來(lái)進(jìn)行的。

成功設(shè)計(jì)符合EMC/EMI測(cè)試要求的十個(gè)技巧

1.保持小的環(huán)路

當(dāng)存在一個(gè)磁場(chǎng)時(shí)，一個(gè)由導(dǎo)電材料形成的環(huán)路充當(dāng)了天線，并且把磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為圍繞環(huán)路流動(dòng)的電流。電流的強(qiáng)度與閉合環(huán)路的面積成正比。因此，應(yīng)盡量地避免環(huán)路的存在，并使必要的封閉區(qū)域的面積盡可能地小。比如，當(dāng)有差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，就可能存在一個(gè)環(huán)路。在采用差分線路的發(fā)送器和接收器之間會(huì)形成一個(gè)環(huán)路。

另一種常見的環(huán)路出現(xiàn)在兩個(gè)子系統(tǒng)共用某個(gè)電路的場(chǎng)合，也許是一臺(tái)顯示器和負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)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(tǒng)的 ECU 端至該 GND 的一根連接線。當(dāng)視頻信號(hào)連接至具有其自己的接地線的顯示器時(shí)，會(huì)在接地平面的內(nèi)部形成一個(gè)巨大的環(huán)路。在有些場(chǎng)合中，此類環(huán)路是不可避免的。然而，通過(guò)在至地的連接線中引入一個(gè)電感器或鐵氧體磁珠，雖然 DC 環(huán)路仍然會(huì)存在，但是從 RF 輻射的角度來(lái)看，這個(gè)環(huán)路被斷開了。

另外，當(dāng)通過(guò)雙絞線電纜傳送信號(hào)時(shí)，每對(duì)差分驅(qū)動(dòng)器 /接收器都將形成一個(gè)環(huán)路。一般地，由于雙絞線是緊密耦合的，因此對(duì)于鏈路的電纜部分而言該環(huán)路的面積很小。不過(guò)，一旦該信號(hào)到達(dá)電路板，則應(yīng)保持緊密耦合以避免擴(kuò)大環(huán)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(tài)以及節(jié)點(diǎn)電容需要充電和放電時(shí)消耗功率。從電源的觀點(diǎn)來(lái)看，平均流耗為 10 mA 的 CMOS 電路在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換期間吸收的電流可能要高出許多倍，而在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換周之間的流耗則非常低甚至為零。因此，輻射限制方法重點(diǎn)關(guān)注的是電壓和電流的峰值，而不是平均值。

在時(shí)鐘轉(zhuǎn)換過(guò)程中從電源至芯片電源引腳的電流浪涌是一個(gè)主要的輻射源。通過(guò)在每個(gè)電源引腳的附近布設(shè)一個(gè)旁路電容器，在時(shí)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(shí)鐘轉(zhuǎn)換周期之間該電容器上的電荷利用一個(gè)較低、較穩(wěn)定的電流來(lái)積聚。較大的電容器適合于提供電流的激增，但對(duì)于高速要求的反應(yīng)能力欠佳。非常小的電容器能夠?qū)π枨笞龀隹焖俜磻?yīng)，但是它們的總電荷容量有限并且很快就會(huì)耗盡。對(duì)于大多數(shù)電路來(lái)說(shuō)，最佳的解決方案是將不同大小的電容器并聯(lián)混用（也許是 1μF 和 0.01μF 電容器的并聯(lián)）。把較小的電容器布設(shè)在非常靠近器件電源引腳的地方，而較大的電容器則可安放在距離電源引腳遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方。

3.良好的阻抗匹配可最大限度地降低 EMI

當(dāng)高速信號(hào)通過(guò)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(shí)，部分信號(hào)將被反射回信號(hào)源，部分這信號(hào)將沿著原來(lái)的方向繼續(xù)傳送。反射將導(dǎo)致輻射，一點(diǎn)是不會(huì)改變的。為了實(shí)現(xiàn)低 EMI，必需遵循合適的高速設(shè)計(jì)慣例。有大量上佳的資源為您提供了有關(guān)傳輸線設(shè)計(jì)的信息。這里給出了一些在設(shè)計(jì)傳輸線時(shí)建議采取的預(yù)防措施：

請(qǐng)記住，在接地平面和信號(hào)走線之間存在信號(hào)。輻射可以由信號(hào)走線或接地平面的中斷所引起，因此應(yīng)留意信號(hào)走線下方的接地平面切口或中斷。

設(shè)法避免在信號(hào)走線的排布當(dāng)中出現(xiàn)銳角。精巧彎曲的拐角要比直角轉(zhuǎn)彎好得多。

通常，F(xiàn)PD-Link 信號(hào)將讓組件對(duì)其進(jìn)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(guī)格的小型組件，并把走線的寬度設(shè)定得與 0402組件焊盤的寬度相同。而且，還務(wù)必通過(guò)控制疊層中的電介質(zhì)厚度來(lái)設(shè)定走線的特征阻抗。

4.屏蔽

應(yīng)采用優(yōu)良的屏蔽方法，在這一點(diǎn)上沒有捷徑可走。當(dāng)以最大限度地減少輻射為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需在會(huì)引發(fā)問(wèn)題的電路部分的周圍實(shí)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(tǒng)逸出之前將其發(fā)送至地。圖 2 示出了屏蔽是如何控制 EMI 的。

圖 2

屏蔽可以采取多種形式。也許簡(jiǎn)單到把某個(gè)系統(tǒng)封閉在一個(gè)導(dǎo)電外殼之中，或者，也可能是采用一個(gè)焊接在輻射源上方的精加工的小型定制金屬外殼。

5.簡(jiǎn)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(gè)技巧都談到了這樣一點(diǎn)，就是至芯片的連接線必需簡(jiǎn)短，比如：旁路電容器要靠近 IC、應(yīng)保持小的環(huán)路等。然而，接地電流返回其來(lái)源所必須經(jīng)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(gè)過(guò)孔長(zhǎng)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(huì)迫使接地電流經(jīng)由一條很長(zhǎng)的路徑從芯片返回電源。當(dāng) GND 電流通過(guò)該路徑傳輸時(shí)，它就充當(dāng)了一個(gè)發(fā)送或接收噪聲的天線。

6.速度不要超過(guò)所需的水平

業(yè)界有這樣一種傾向，就是擔(dān)心時(shí)序裕度并采用盡可能快的邏輯器件來(lái)提供最佳的時(shí)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，會(huì)產(chǎn)生 EMI。降低系統(tǒng) EMI 量的一種方法是使用速度盡可能低但仍將滿足時(shí)序要求的邏輯器件。許多 FPGA 允許把驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度設(shè)置在較低的水平，這是一種降低邊緣速率的方法。在某些場(chǎng)合中，可采用邏輯線上的串聯(lián)電阻器來(lái)減低系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換速率。

7.電源線電感器

在第二個(gè)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(gè)問(wèn)題的另一個(gè)方面。通過(guò)在電源線上布設(shè)電感器或鐵氧體磁珠，將強(qiáng)制連接至該電源的電路從電容器（而不是大老遠(yuǎn)地從電源）來(lái)滿足其動(dòng)態(tài)功率需求。

8.在開關(guān)電源的輸入端上布設(shè)電容器

在尋求解決 EMI 問(wèn)題時(shí)，一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的主題是在可能的情況下降低 dv/dt 和 / 或 di/dt。關(guān)于這一點(diǎn)，DC/DC轉(zhuǎn)換器也許看似完全沒有危害，直到人們意識(shí)到其并非直接完成從 DC 至 DC 的轉(zhuǎn)換，而是從 DC 至 AC再到 DC。因此，處在轉(zhuǎn)換中間階段的 AC有可能引起 EMI 問(wèn)題。

汽車設(shè)計(jì)人員擔(dān)心產(chǎn)生干擾的地方在于 AM無(wú)線電波段。絕大多數(shù)汽車都配備了一臺(tái) AM 收音機(jī)，其具有一個(gè)可調(diào)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(gè)組件發(fā)射了處在該頻段之內(nèi)的信號(hào)，將很有可能在 AM 收音機(jī)里聽到。許多開關(guān)電源所采用的開關(guān)頻率就位于此頻段內(nèi)，從而在汽車應(yīng)用中導(dǎo)致問(wèn)題的發(fā)生。因此，大多數(shù)汽車開關(guān)電源都采用高于該頻段的開關(guān)頻率－通常是在 2MHz 或者更高。假如在開關(guān)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(guān)噪聲就會(huì)進(jìn)入其他也許對(duì)基頻或次諧波頻率很敏感的子系統(tǒng)。

9.密切注意諧振

對(duì)于各種不同的干擾源，已規(guī)定利用電感器和電容器來(lái)緩解有可能導(dǎo)致 EMI 的 dv/dt 和 di/dt問(wèn)題。然而，電感器和 / 或電容器會(huì)具有與自諧振有關(guān)的不良特性。這個(gè)問(wèn)題常?？梢酝ㄟ^(guò)增設(shè)一個(gè)與電感器并聯(lián)的電阻器來(lái)糾正，該電阻器可吸收振蕩所產(chǎn)生的能量，從而避免其變大到足以引發(fā)問(wèn)題的地步。當(dāng)存在一個(gè)通向某個(gè)帶有旁路電容器的組件的串聯(lián)電感器（一個(gè)分立的組件或者一個(gè)源自電源線的寄生電感）時(shí)，就會(huì)引發(fā)另一個(gè)潛在的問(wèn)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(gè)問(wèn)題也可以利用一個(gè)電阻器（通常是與該電感器并聯(lián)）加以解決。

10. 擴(kuò)頻計(jì)時(shí)可降低峰值輻射

對(duì)于 FPD-Link串化器或解串器 (SerDes)等組件而言，常常存在一個(gè)具有擴(kuò)頻計(jì)時(shí)選項(xiàng)的數(shù)據(jù)總線和時(shí)鐘。在擴(kuò)頻計(jì)時(shí)中，對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。結(jié)果是把由時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)脈沖邊沿產(chǎn)生的能量散布在比其必需占用的頻段更寬的頻率范圍內(nèi)。由于 EMI 規(guī)范被設(shè)置為限制某個(gè)頻段內(nèi)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(nèi)可幫助大幅減少噪聲峰值。DS90UB914A-Q1 是一個(gè)很好的解串器實(shí)例，它常常與 DS90UB913A-Q1串化器一起使用。這些器件用于在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 中的攝像機(jī)和處理器之間提供視頻鏈接。該解串器負(fù)責(zé)恢復(fù)攝像機(jī)中的圖像傳感器提供給串化器的時(shí)鐘，并將該時(shí)鐘與數(shù)據(jù)一起輸出以供處理器使用。與一個(gè)高速時(shí)鐘同時(shí)執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作的 10或 12根高速數(shù)據(jù)線是引發(fā) EMI的一個(gè)主要來(lái)源。為了降低該 EMI，DS90UB914A 具有一種使用擴(kuò)頻時(shí)鐘和輸出數(shù)據(jù)（而不是圖像傳感器提供的低抖動(dòng)時(shí)鐘）的選項(xiàng)。該擴(kuò)頻時(shí)鐘通過(guò)解串器中的寄存器來(lái)控制。

結(jié)論

由于汽車越來(lái)越多地依賴電子產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)不限于娛樂和舒適功能的關(guān)鍵型汽車運(yùn)轉(zhuǎn)，因此對(duì)于在存在干擾的情況下執(zhí)行無(wú)差錯(cuò)操作以及不對(duì)車內(nèi)的其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的需求日漸攀升。通過(guò)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(shè)計(jì)穩(wěn)健型系統(tǒng)，從而使汽車系統(tǒng)能夠不受 EMI 問(wèn)題的干擾而可靠地工作。

審核編輯：湯梓紅