1 引言

隨sui著zhe集ji成cheng電dian路lu集ji成cheng度du的de提ti高gao，越yue來lai越yue多duo的de元yuan件jian集ji成cheng到dao芯xin片pian上shang，電dian路lu功gong能neng變bian得de複fu雜za
，工gong作zuo電dian壓ya也ye在zai降jiang低di。當dang一yi個ge或huo多duo個ge電dian路lu裏li產chan生sheng的de信xin號hao或huo噪zao聲sheng與yu同tong一yi個ge芯xin片pian內nei另ling一yi個ge電dian路lu的de運yun行xing彼bi此ci幹gan擾rao時shi
，就jiu產chan生sheng了le芯xin片pian內nei的deEMC問題
，最為常見的就是SSN(Simultaneous Switch Noise
，同時開關噪聲)和Crosstalk(串音)，它(ta)們(men)都(dou)會(hui)給(gei)芯(xin)片(pian)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)帶(dai)來(lai)影(ying)響(xiang)。由(you)於(yu)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)通(tong)過(guo)高(gao)速(su)脈(mai)衝(chong)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)工(gong)作(zuo)，工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)越(yue)高(gao)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)頻(pin)譜(pu)越(yue)寬(kuan)，越(yue)容(rong)易(yi)引(yin)起(qi)對(dui)外(wai)輻(fu)射(she)的(de)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)方(fang)麵(mian)問(wen)題(ti)。基(ji)於(yu)以(yi)上(shang)情(qing)況(kuang)，集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)本(ben)身(shen)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)(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。

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。

2 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

youyushizhongdianluchanshengdeshizhongxinhaoyibandoushizhouqixinhao
，qipinpushilisande

，lisanpudenengliangjizhongzaiyouxiandepinlvshang。youyouyuxitongzhonggegebufendeshizhongxinhaotongchangyoutongyishizhongfenpin


、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FCCfasheceshizhongfengzhijiaodi
，danzhebingfeizhenzhengjianxiaoshunshifashegonglv。yinci，duiyixiekuaisufanyingshebeirengkenengchanshengtongyangdeganrao。kuozhanpinpushizhongbunengyingyongyuyaoqiuyangedeshijiantongxinwangluozhong

，biruFDD、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kou引yin入ru可ke配pei置zhi的de翻fan轉zhuan速su率lv和he驅qu動dong強qiang度du寄ji存cun器qi
，在zai需xu要yao的de時shi候hou打da開kai相xiang應ying功gong能neng。翻fan轉zhuan速su率lv有you打da開kai和he關guan閉bi兩liang種zhong選xuan擇ze

，打da開kai後hou能neng夠gou有you效xiao地di平ping緩huan上shang升sheng沿yan或huo者zhe下xia降jiang沿yan，降jiang低di瞬shun態tai電dian流liu，進jin而er控kong製zhi芯xin片pian產chan生sheng的de電dian磁ci幹gan擾rao強qiang度du。驅qu動dong強qiang度du有you強qiang驅qu動dong電dian流liu和he弱ruo驅qu動dong電dian流liu兩liang種zhong選xuan擇ze
，在zai能neng夠gou滿man足zu工gong作zuo驅qu動dong強qiang度du的de情qing況kuang下xia，選xuan擇ze弱ruo電dian流liu驅qu動dong會hui更geng好hao的de控kong製zhi電dian磁ci幹gan擾rao現xian象xiang。

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。

3 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de集ji成cheng電dian路lu電dian磁ci發fa射she測ce試shi。標biao準zhun中zhong涉she及ji到dao輻fu射she和he傳chuan導dao兩liang類lei測ce試shi方fang法fa
，由you於yu傳chuan導dao方fang式shi的de電dian磁ci幹gan擾rao帶dai給gei芯xin片pian應ying用yong上shang的de影ying響xiang更geng大da一yi些xie
，本ben次ci試shi驗yan選xuan取quIEC61967-4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(pi)配(pei)
，用(yong)接(jie)收(shou)機(ji)測(ce)量(liang)射(she)頻(pin)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(shi)環(huan)境(jing)圖(tu)如(ru)圖(tu)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。

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。

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zai10MHz、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。

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。

(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。

4 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
，幹gan擾rao強qiang度du或huo是shi密mi度du在zai整zheng體ti上shang都dou會hui增zeng加jia
，可ke以yi是shi一yi小xiao段duan頻pin譜pu或huo者zhe是shi整zheng個ge頻pin譜pu範fan圍wei內nei

，這zhe與yu測ce試shi對dui象xiang關guan係xi比bi較jiao大da。分fen析xi原yuan因yin不bu難nan發fa現xian，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，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shi用yongPWM 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。

5 結束語

對(dui)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)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)方(fang)麵(mian)的(de)需(xu)要(yao)。本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)對(dui)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)的(de)引(yin)入(ru)，並(bing)進(jin)一(yi)步(bu)通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)方(fang)案(an)去(qu)總(zong)結(jie)歸(gui)納(na)影(ying)響(xiang)電(dian)磁(ci)發(fa)射(she)的(de)因(yin)素(su)和(he)原(yuan)因(yin)，從(cong)而(er)間(jian)接(jie)證(zheng)明(ming)了(le)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)的(de)必(bi)要(yao)性(xing)和(he)重(zhong)要(yao)性(xing)。



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