由於集成電路通過高速脈衝數字信號進行工作，工作頻率越高產 生的電磁幹擾頻譜越寬，越容易引起對外輻射的電磁兼容方麵問題。基於以上情況
，集成電路本身的電磁幹擾(EMI)與抗擾度(EMS)問題已成為集成電路設計與製造關注的課題。

jichengdianludiancijianrongbujinshejijichengdianludianciganraoyukangraodudeshejiheceshifangfa，erqieyoubiyaoyujichengdianludeyingyongxiangjiehe。zhenduiqichedianzilingyulaijiang，jiangduizhengcheji
、零ling部bu件jian級ji的de電dian磁ci兼jian容rong要yao求qiu強qiang製zhi性xing標biao準zhun
，結jie合he到dao集ji成cheng電dian路lu的de設she計ji中zhong，才cai能neng使shi電dian路lu更geng易yi於yu設she計ji出chu符fu合he標biao準zhun的de最zui終zhong產chan品pin。作zuo為wei電dian子zi控kong製zhi係xi統tong裏li麵mian最zui為wei關guan鍵jian的de單dan元yuan——微控製器(MCU)
，其EMC性能的好壞直接影響各個模塊與係統的控製功能。
本文在汽車電子MCU 中采用抗EMI的設計方法，依據IEC61967傳導測試標準，對汽車電子MCU進行電磁幹擾的測試。

 汽車電子MCU設計方法

下麵介紹在汽車電子MCU中使用的可行性設計方法以及其他幾種抗EMI設計技術。

2.1 時鍾電路設計
由you於yu時shi鍾zhong電dian路lu產chan生sheng的de時shi鍾zhong信xin號hao一yi般ban都dou是shi周zhou期qi信xin號hao，其qi頻pin譜pu是shi離li散san的de，離li散san譜pu的de能neng量liang集ji中zhong在zai有you限xian的de頻pin率lv上shang。又you由you於yu係xi統tong中zhong各ge個ge部bu分fen的de時shi鍾zhong信xin號hao通tong常chang由you同tong一yi時shi鍾zhong分fen頻pin、倍頻得到，它們的譜線之間也是倍頻關係
，重疊起來進而增大輻射的幅值
，因此說時鍾電路是一個非常大的汙染源。
針 對汽車電子MCU 數字前端設計，在抗EMI方麵采用門控時鍾的方法改進。任何時鍾在不需要時都應關閉，減低工作時鍾引起的電磁發射問題。根據A8128(汽車電子MCU的 型號)芯片係統功能設計要求，采用Run
、Idle、Stop和Debug四種工作模式，在每一種工作模式下針對係統時鍾、外設模塊時鍾進行適當門控。此 外，還有幾種在時鍾方麵常見的抗EMI的設計方法，包括:

①降低工作頻率
MCU的工作時鍾應該設定為滿足性能要求所需的最低頻率。從下麵的測試結果可以看出，一個MCU的運行頻率由80MHz變為10MHz，可以使頻譜寬頻範圍內的幹擾峰值產生幾十dBμV 的衰減，而且能夠有效的降低功耗。

②異步設計
異yi步bu電dian路lu工gong作zuo沒mei有you鎖suo定ding一yi個ge固gu有you頻pin率lv，電dian磁ci輻fu射she大da範fan圍wei均jun勻yun分fen布bu而er不bu會hui集ji中zhong在zai特te定ding的de窄zhai帶dai頻pin譜pu中zhong。這zhe一yi關guan鍵jian本ben質zhi特te征zheng決jue定ding了le即ji使shi異yi步bu電dian路lu使shi用yong大da量liang的de有you源yuan門men電dian路lu
，它ta所suo產chan生sheng的de電dian磁ci發fa射she也ye要yao比bi同tong步bu電dian路lu小xiao。

③擴展頻譜
擴 展頻譜時鍾是一項能夠減小輻射測量值的技術，這種技術對時鍾頻率進行1%~2%的調製

，擴散諧波分量
，在CISPR16或FCC發射測試中峰值較低
，但這 並bing非fei真zhen正zheng減jian小xiao瞬shun時shi發fa射she功gong率lv。因yin此ci
，對dui一yi些xie快kuai速su反fan應ying設she備bei仍reng可ke能neng產chan生sheng同tong樣yang的de幹gan擾rao。擴kuo展zhan頻pin譜pu時shi鍾zhong不bu能neng應ying用yong於yu要yao求qiu嚴yan格ge的de時shi間jian通tong信xin網wang絡luo中zhong，比bi如ruFDD
、以太網
、光纖 等。

2.2 IO端口設計
在汽車電子MCU 的輸入輸出端口設計中
，也加入了抗EMI方案
，包括翻轉速率(slew rate control)和驅動強度(drive strength)控製方法。通過在所有通用P口引入可配置的翻轉速率和驅動強度寄存器
，在需要的時候打開相應功能。翻轉速率有打開和關閉兩種選擇，打開 hounenggouyouxiaodipinghuanshangshengyanhuozhexiajiangyan
，jiangdishuntaidianliu，jinerkongzhixinpianchanshengdedianciganraoqiangdu。qudongqiangduyouqiangqudongdianliuheruoqudongdianliuliangzhongxuanze，zainenggoumanzugongzuoqudongqiangdu 的情況下，選擇弱電流驅動會更好的控製電磁幹擾現象。
另外，基於GSMC 180nm工藝庫，選擇具有施密特觸發特性的IO

，可以有效地平緩輸入信號中帶進來的尖峰或者噪聲信號等，對芯片的電磁抗擾度有所幫助。[page]

汽車電子MCU測試方案

IEC61967標準是國際電工 委員會製定的有關集成電路電磁發射的標準
，用於頻率為150kHz到1GHz的集成電路電磁發射測試。標準中涉及到輻射和傳導兩類測試方法，由於傳導方式 的電磁幹擾帶給芯片應用上的影響更大一些，本次試驗選取IEC61967-4直接耦合法進行測試。該方法又分為1Ω測試法和150Ω測試法
，1Ω測試法用 來測試接地引腳上的總幹擾電流，150Ω測試法用來測試輸出端口的幹擾電壓。
在測試時，需要在進行測試的電路中接入串聯電阻 為1Ω的電流探針(探針即為1Ω測試網絡


，已經集成在EMC測試板的芯片地端與PCB地平麵之間)，49Ω串聯放置為了形成50Ω匹配，用接收機測量射頻 電dian流liu流liu經jing該gai電dian阻zu時shi產chan生sheng的de射she頻pin電dian壓ya，所suo測ce得de的de電dian壓ya應ying為wei所suo有you流liu回hui到dao集ji成cheng電dian路lu的de射she頻pin電dian流liu在zai電dian流liu探tan頭tou上shang產chan生sheng電dian壓ya的de總zong和he
，測ce得de的de電dian壓ya值zhi可ke以yi換huan算suan為wei流liu過guo探tan針zhen的de電dian流liu，測ce 試環境圖如圖1所示。

在 150Ω測試中，集成電路的引腳通過標準規定的匹配網絡接到測試接收機，通過150Ω探針(探針即為150Ω測試網絡，已經集成在EMC測試板上)可以測 量SSN在輸入輸出端口和電源兩類引腳上的傳導幹擾，通過計算可以將接收機測量的電壓轉換為噪聲電壓幅值，測試環境圖如圖2所示。

下麵是針對EMI進行的1Ω和150Ω測試步驟
，包括測試前準備工作以及測試數據分析等。

3.1 測試前裝備工作
①環境溫度
本次實驗集中在晚間進行，現場溫度控製在23±2℃範圍內
，符合標準要求。
②環境噪聲電平
將DUT(被測設備)固定在實驗台上且為斷電狀態，用EMI接收機測量殘留噪聲。本次實驗環境噪聲電平在可接受的測試要求內
，詳情請參看圖6。
③其他環境條件
所有其他可能影響測試結果的環境條件，例如環境濕度。本次實驗所測得的相對濕度為45%RH左右。
④確認工作狀態
給DUT供電並檢查確認IC處於正常的工作狀態，同時在實驗時保持周圍的測試條件不變。[page]

3.2 1Ω測試
(1)將SMA連接線一端連接到測試板，另一端連接到接收 機(安捷倫N9030
，內置N141A電磁兼容測試軟件)
，將EMI接收機的測量頻率範圍設置為150kHz到1GHz，根據標準對測試操作的要求
，分成 150kHz~30MHz(RBW 為9kHz)和30MHz~1GHz(RBW 為120kHz)兩段。下麵測試圖中綠色邊框範圍內的是150kHz~30MHz
，範圍外的是30MHz~1GHz。
結合汽車電子MCU 端口特性以及標準要求，將接地端口與1Ω網絡相連，再與SMA口相接
，引入EMI接收機進行監控

，原理圖如圖3、圖4所示。

(2)選取可能影響EMC特性的因素，在時鍾上分別測試10MHz、20MHz以及77MHz頻率下電磁幹擾大小數值，在測試功能上選取模數轉換程序ADC;
(3)測量每一段頻譜內可能出現的幹擾，提取各個諧波的包絡值，接收機的電壓可以換算為流過探針的電流。測試儀器以及EMC測試板如圖5所示;

(4)在對每個頻率點測試的時候要進行多次測量
，以便排除偶然因素的幹擾。下麵是各個測試情況的說明;
①時鍾采用外部晶振10MHz，燒錄SRAM 中的程序為ADC。圖6左側為未上電時的環境噪聲信號
，右側為上電但未運行程序的測量結果。[page]

通(tong)過(guo)對(dui)比(bi)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)上(shang)電(dian)之(zhi)後(hou)在(zai)整(zheng)個(ge)頻(pin)譜(pu)範(fan)圍(wei)內(nei)幹(gan)擾(rao)強(qiang)度(du)變(bian)大(da)，時(shi)鍾(zhong)的(de)固(gu)定(ding)周(zhou)期(qi)將(jiang)使(shi)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)集(ji)中(zhong)在(zai)時(shi)鍾(zhong)基(ji)波(bo)和(he)諧(xie)波(bo)附(fu)近(jin)很(hen)窄(zhai)的(de)頻(pin)譜(pu)範(fan)圍(wei)內(nei)。根(gen)據(ju)傅(fu)裏(li)葉(ye)級(ji)數(shu)展(zhan)開(kai)公(gong)式(shi)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)
，在(zai)時(shi)鍾(zhong)倍(bei)頻(pin)處(chu)的(de)頻(pin)點(dian)其(qi)幹(gan)擾(rao)值(zhi)也(ye)越(yue)大(da)，所(suo)以(yi)在(zai)10MHz
、20MHz等倍頻點處的現象更明顯，
②為了進一步對比，運行ADC程序，分別在10MHz
、20MHz以及77MHz時鍾下進行測試

，比較不同時鍾接地引腳總幹擾電流大小，測試結果如圖7、圖8、圖9所示。

圖 7
、圖8
、圖9分別是10MHz、20MHz和77MHz的測試圖，圖10是整理後的數據。通過對比可以得出
，頻譜大致集中在100MHz以內
，在對應工 作時鍾的主頻點處幹擾值最大，10MHz
、20MHz情況下在相應倍頻點(如40MHz、60MHz等頻點)附近的幹擾值也比較集中。[page]
提 取數據得到10 MHz時峰值點為9.999MHz(62.643dBμV)

，20 MHz 時的峰值點為20.002MHz(61.692dBμV)，77MHz時的峰值點為19.264MHz(48.049dBμV)以及 77.042MHz(47.316dBμV)。可以看出

，77MHz時幹擾強度和密度反而要弱於20MHz，可能是由於77MHz是MCU工作的極限時 鍾，此時工作性能受到一定影響，導致測試的結果有所不同。
③由於汽車電子MCU的工作時鍾可以選擇外部晶振或者內部PLL倍頻，所以要對兩種情況分別測試，以便比較是否有差別。運行ADC程序後的測試結果如圖11所示。

從圖11中可以看出，在頻譜範圍內各個峰值點的分布大致相同，整個頻譜範圍內沒有明顯差異


，MCU通過外部晶振或PLL倍頻兩種方式測得的結果基本一致
，時鍾源選擇上不會對芯片的電磁幹擾強度帶來影響。


3.3 150Ω測試
(1)設備裝置連接同1Ω測試法的步驟①;
(2) 根據芯片電源類型，電源分為4路，分別是VDD1(數字IO 供電的5V 電源信號)


、VDD2(為ADC和PLL供電的LDO 的5V 電壓)、VDD3(數字邏輯LDO的5V電壓輸入)和VDD4(Flash的5V電壓輸入)。可單獨對每一路電源的幹擾噪聲進行捕捉
，連接方式與1Ω 測試法步驟②相同，如圖12所示;

(3)根據汽車電子MCU應用特點，選取最為典型的PWM、CAN 程序
，為了方便以後對眾多引腳進行單獨測量，將P0、P1

、P2(P3未涉及到外設功能複用)端口共24個引腳進行了開關控製，再通過150Ω耦合網絡連 接到EMI接收機
，圖13是P0端口的電路原理圖，P1和P2的原理圖同P0。

[page](4)重複測試多次，得到較多測試樣本，經過整理，下麵是各個測試情況的說明。
①從電源端口結果來看
，區別很小
，下麵以VDD1為例進行分析說明。VDD1測試選取了ADC和counter(數字計數器)的程序，以比較不同類別的程序對數字供電是否有影響，測試結果如圖14
、圖15所示。
在 10MHz和20MHz時鍾上對比，ADC最高峰值分別為35.827dBμV
、43.517dBμV;counter的最高峰值為 35.899dBμV
、43.271dBμV。可以得出頻率越高，幹擾強度越大。但就兩類程序橫向對比來看，結果基本上一致。另外還發現 60~300MHz和550~650MHz兩處集中的幹擾頻譜，可見電源處的幹擾在高頻附近比較明顯。
②PWM 功能測試
雙通道模式下
，在不同占空比和周期大小情況下，測試對應P口引腳處傳導發射強度的大小，測試結果如圖16
、圖17所示。
從圖16中的幹擾密度可看出時鍾對電磁幹擾影響程度。在圖17中
，由於period和duty較長，測試結果相差不大，此時時鍾頻率變成次要因素
，主要因素取決於輸出引腳處高低電平變化周期長短。

③CAN功能測試
運行Loopback(回路模式)程序，在不同時鍾頻率下進行比較，測試結果如圖18、圖19所示。

從 圖16~19中觀察，隨著時鍾頻率變大

，TX和RX端口的傳導輻射強度也變大。對於RX端口，10/40MHz頻點附近的幹擾密度比較大，且在40MHz 時候現象更明顯，捕捉到連續三個頻點(圖18右側標注)，分別是39.060 MHz(71.063dBμV)、39.360MHz(67.447dBμV)、40.020MHz(39.171dBμV)，兩個時鍾下的峰值都在 70~85dBμV 之間，但一般都在10MHz以下，應該是受低頻某一頻點的影響較明顯。
對於TX端口，10/40MHz頻點附近的幹擾密度沒有RX明顯，峰值也都在70~85dBμV 之間，且發生在10MHz以下
，和RX的特點大致相同。

測試結果分析

從測試數據結果可以總結出以下幾點:
① 在時鍾頻率上，從10 MHz到40 MHz、77MHz，ganraoqiangduhuoshimiduzaizhengtishangdouhuizengjia
，keyishiyixiaoduanpinpuhuozheshizhenggepinpufanweinei，zheyuceshiduixiangguanxibijiaoda。fenxiyuanyinbunanfaxian，youyushizhongdian 路(lu)產(chan)生(sheng)的(de)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)一(yi)般(ban)都(dou)是(shi)周(zhou)期(qi)信(xin)號(hao)，其(qi)頻(pin)譜(pu)是(shi)離(li)散(san)的(de)，離(li)散(san)譜(pu)的(de)能(neng)量(liang)集(ji)中(zhong)在(zai)有(you)限(xian)的(de)頻(pin)率(lv)上(shang)

，又(you)由(you)於(yu)係(xi)統(tong)中(zhong)各(ge)個(ge)部(bu)分(fen)的(de)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)通(tong)常(chang)由(you)同(tong)一(yi)時(shi)鍾(zhong)分(fen)頻(pin)
、倍頻得到，它 們的譜線之間也是倍頻關係，會重疊起來進而增大輻射的幅值。
②在程序燒寫方式上，外部晶振或PLL倍頻兩種方式測得的結果基本一致，整個頻譜範圍內沒有明顯差異
，時鍾源選擇上不會對芯片的電磁幹擾強度帶來影響。
③從VDD1測試結果來看，除了得出頻率越高，幹擾強度越大之外，還發現出現幹擾的頻譜範圍分別在60~300MHz和550~650MHz兩處，可見電源處的幹擾在高頻附近比較明顯。
④ 對於PWM 功能，通過配置輸出波形周期和占空比大小，會導致在不同時鍾下產生的電磁幹擾強度有所差異。由於雙通道模式下寄存器為16bit(原單通道模式為 8bit)，此時周期和占空比可配置的數值變大，PWM 波bo輸shu出chu引yin腳jiao處chu的de高gao低di電dian平ping翻fan轉zhuan周zhou期qi就jiu取qu決jue於yu周zhou期qi和he占zhan空kong比bi的de設she置zhi
，與yu時shi鍾zhong的de關guan係xi變bian得de沒mei有you之zhi前qian如ru此ci緊jin密mi，時shi鍾zhong變bian成cheng了le次ci要yao因yin素su。由you此ci建jian議yi在zai滿man足zu功gong能neng要yao求qiu的de前qian提ti下xia
， 使用PWM 功能時盡量將周期和占空比數值變得大一些
，這樣會較好地改進EMC性能;
⑤對於CAN 總線來講，通過10 MHz和40MHz時鍾對比，當合理地降低時鍾工作頻率，會使一大段頻譜範圍內的幹擾值降低
，從整體上較好的控製EMI帶來的影響。

結束語

對 於yu微wei電dian子zi行xing業ye來lai說shuo
，芯xin片pian級ji電dian磁ci兼jian容rong性xing的de設she計ji與yu測ce試shi已yi經jing成cheng為wei一yi個ge非fei常chang重zhong要yao的de主zhu題ti。實shi際ji上shang，如ru果guo不bu對dui集ji成cheng電dian路lu電dian磁ci輻fu射she及ji抗kang擾rao度du方fang麵mian進jin行xing深shen入ru的de研yan究jiu，就jiu很hen難nan滿man足zu dianzishebeidiancijianrongxingfangmiandexuyao。benwentongguoduishejifangfadeyinru
，bingjinyibutongguoceshifanganquzongjieguinayingxiangdiancifashedeyinsuheyuanyin
，congerjianjiezhengmingleshejifangfadebiyaoxinghe 重要性。