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1、汽车电子MCU的抗EMI设计与测试方案1 引言随着集成电路集成度的提高，越来越多的元件集成到芯片上，电路功能变得 复杂，工作电压也在降低。当一个或多个电路里产生的信号或噪声与同一个芯片 内另一个电路的运行彼此干扰时，就产生了芯片内的EMC问题，最为常见的就是 SSN(Simultaneous Switch Noise，同时开关噪声)和 Crosstalk(串音)，它们都 会给芯片正常工作带来影响。由于集成电路通过高速脉冲数字信号进行工作，工 作频率越高产生的电磁干扰频谱越宽，越容易引起对外辐射的电磁兼容方面问 题。基于以上情况，集成电路本身的电磁干扰(EMI)与抗扰度(EMS)问题已成为集 成
2、电路设计与制造关注的课题。集成电路电磁兼容不仅涉及集成电路电磁干扰与抗扰度的设计和测试方法， 而且有必要与集成电路的应用相结合。针对汽车电子领域来讲，将对整车级、零 部件级的电磁兼容要求强制性标准,结合到集成电路的设计中，才能使电路更易 于设计出符合标准的最终产品。作为电子控制系统里面最为关键的单元微控 制器(MCU)，其EMC性能的好坏直接影响各个模块与系统的控制功能。本文在汽车电子MCU中采用抗EMI的设计方法，依据IEC61967传导测试标 准，对汽车电子MCU进行电磁干扰的测试。2 汽车电子 MCU 设计方法下面介绍在汽车电子MCU中使用的可行性设计方法以及其他几种抗EMI设计 技术。
3、2.1 时钟电路设计由于时钟电路产生的时钟信号一般都是周期信号，其频谱是离散的，离散谱 的能量集中在有限的频率上。又由于系统中各个部分的时钟信号通常由同一时钟 分频、倍频得到，它们的谱线之间也是倍频关系，重叠起来进而增大辐射的幅值，因此说时钟电路是一个非常大的污染源。针对汽车电子MCU数字前端设计，在抗EMI方面采用门控时钟的方法改进。 任何时钟在不需要时都应关闭，减低工作时钟引起的电磁发射问题。根据 A8128(汽车电子MCU的型号)芯片系统功能设计要求，采用Run、Idle、Stop和 Debug 四种工作模式，在每一种工作模式下针对系统时钟、外设模块时钟进行适 当门控。此外，还有几种在时
4、钟方面常见的抗EMI的设计方法，包括： 降低工作频率MCU 的工作时钟应该设定为满足性能要求所需的最低频率。从下面的测试结 果可以看出，一个MCU的运行频率由80MHz变为10MHz，可以使频谱宽频范围内 的干扰峰值产生几十dB“V的衰减，而且能够有效的降低功耗。 异步设计异步电路工作没有锁定一个固有频率，电磁辐射大范围均匀分布而不会集中 在特定的窄带频谱中。这一关键本质特征决定了即使异步电路使用大量的有源门 电路，它所产生的电磁发射也要比同步电路小。 扩展频谱扩展频谱时钟是一项能够减小辐射测量值的技术，这种技术对时钟频率进行 1%2%的调制，扩散谐波分量，在CISPR16或FCC发射测试中峰
5、值较低，但这并 非真正减小瞬时发射功率。因此，对一些快速反应设备仍可能产生同样的干扰。 扩展频谱时钟不能应用于要求严格的时间通信网络中，比如FDD、以太网、光纤 等。2.2 IO 端口设计在汽车电子MCU的输入输出端口设计中，也加入了抗EMI方案，包括翻转 速率(slew ra te con tro l)和驱动强度(drive st reng th)控制方法。通过在所有 通用 P 口引入可配置的翻转速率和驱动强度寄存器，在需要的时候打开相应功 能。翻转速率有打开和关闭两种选择，打开后能够有效地平缓上升沿或者下降沿， 降低瞬态电流，进而控制芯片产生的电磁干扰强度。驱动强度有强驱动电流和弱 驱动电
6、流两种选择，在能够另外，基于GSMC 180nm工艺库，选择具有施密特触 发特性的10,可以有效地平缓输入信号中带进来的尖峰或者噪声信号等，对芯 片的电磁抗扰度有所帮助。3 汽车电子 MCU 测试方案IEC61967 标准是国际电工委员会制定的有关集成电路电磁发射的标准，用于频率为150kHz到1 GHz的集成电路电磁发射测试。标准中涉及到辐射和传导两 类测试方法，由于传导方式的电磁干扰带给芯片应用上的影响更大一些，本次试 验选取IEC61967-4直接耦合法进行测试。该方法又分为1Q测试法和150Q测试 法, 1Q测试法用来测试接地引脚上的总干扰电流，150Q测试法用来测试输出端 口的干扰电
7、压。在测试时，需要在进行测试的电路中接入串联电阻为1Q的电流探针（探针 即为1Q测试网络，已经集成在EMC测试板的芯片地端与PCB地平面之间），49 Q串联放置为了形成50Q匹配，用接收机测量射频电流流经该电阻时产生的射 频电压，所测得的电压应为所有流回到集成电路的射频电流在电流探头上产生电 压的总和，测得的电压值可以换算为流过探针的电流，测试环境图如图1 所示。IajcuIGND(J 5013 Coaxial c-atlcMKasureiiiein GTW图1 1Q测试环境在150Q测试中，集成电路的引脚通过标准规定的匹配网络接到测试接收机, 通过150Q探针（探针即为150Q测试网络，已经
8、集成在EMC测试板上）可以测量 SSN 在输入输出端口和电源两类引脚上的传导干扰，通过计算可以将接收机测量 的电压转换为噪声电压幅值，测试环境图如图2所示。neiiv uik:&.S jAAMAAImpedance match inp图2 150Q测试环境下面是针对EMI进行的1Q和150Q测试步骤，包括测试前准备工作以及测 试数据分析等。3.1 测试前装备工作 环境温度本次实验集中在晚间进行，现场温度控制在232t范围内，符合标准要求。 环境噪声电平将DUT（被测设备）固定在实验台上且为断电状态，用EMI接收机测量残留噪 声。本次实验环境噪声电平在可接受的测试要求内，详情请参看图6。 其他环
9、境条件所有其他可能影响测试结果的环境条件，例如环境湿度。本次实验所测得的 相对湿度为 45%RH 左右。 确认工作状态给 DUT 供电并检查确认 IC 处于正常的工作状态，同时在实验时保持周围的 测试条件不变。3.2 1Q测试（1）将 SMA 连接线一端连接到测试板，另一端连接到接收机（安捷伦 N9030， 内置N141A电磁兼容测试软件）,将EMI接收机的测量频率范围设置为150kHz到 1GHz,根据标准对测试操作的要求，分成150kHz30MHz（RBW为9kHz）和 30MHz1GHz（RBW为120kHz）两段。下面测试图中绿色边框范围内的是 150kHz30MHz，范围外的是 30
10、MHz1GHz。结合汽车电子MCU端口特性以及标准要求，将接地端口与1Q网络相连，再 与SMA 口相接，引入EMI接收机进行监控，原理图如图3、图4所示。图3 芯片的地网络引脚J13图4 1Q网络(2) 选取可能影响EMC特性的因素，在时钟上分别测试10MHz、20MHz以及77MHz 频率下电磁干扰大小数值，在测试功能上选取模数转换程序 ADC;(3) 测量每一段频谱内可能出现的干扰，提取各个谐波的包络值，接收机的电压可以换算为流过探针的电流。测试仪器以及EMC测试板如图5所示；图5 实际测试环境(4) 在对每个频率点测试的时候要进行多次测量，以便排除偶然因素的干扰。 下面是各个测试情况的说
11、明； 时钟采用外部晶振10MHz，烧录SRAM中的程序为ADC。图6左侧为未上电时的环境噪声信号，右侧为上电但未运行程序的测量结果。工作驱动强度的情况下，选择弱电流驱动会更好的控制电磁干扰现象。T-!UVQW oo k他丽Ft伽UZ 罰 BW 0 kHzW 1 Glwell rfcrn* iOg51|Js|-|.5kHStop 1DmfllTtoM m.l|jfit4Ailu.fiid. 眺Fl阪皐朋pY mrTL严-igMki怙汕 PMd即VMkr1 1?1s4SfB3 kH 込附卿图 6 断电 vs. 上电通过对比可以得出上电之后在整个频谱范围内干扰强度变大，时钟的固定周 期将使电磁辐射集
12、中在时钟基波和谐波附近很窄的频谱范围内。根据傅里叶级数 展开公式可以得出，在时钟倍频处的频点其干扰值也越大，所以在 10MHz、20MHz 等倍频点处的现象更明显， 为了进一步对比，运行ADC程序，分别在10MHz、20MHz以及77MHz时钟下进行测试，比较不同时钟接地引脚总干扰电流大小，测试结果如图7、图 8、 图 9 所示。图 7 10MHz ADC 测试图VBW 9D KHZReBWlHSftEf Ifte.O-Bstep 1 GHFDwM Titre 103J 片“角 KHe)Mkr1 500.1133 MHz1O.S52 dBpV图 8 20MHz ADC 测试图VBVU *90
13、KHltari 160 kHE es- BW ft kHzOtop t QHfDwell Tiffinps4 4-：5KH工,图 9 77MHz ADC 测试图-77MHz-A- - 20 MHz00.010.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.-0 70.0 RO.O 90.6 100.0频率/MHz图 10 10/20/77MHz ADC 测试数据整理图 7、图 8 、图 9 分别是 10MHz 、 20MHz 和 77MHz 的测试图，图 10 是整理后 的数据。通过对比可以得出，频谱大致集中在100MHz以内，在对应工作时钟的 主频点处干扰值最大，10MHz、20MHz情
14、况下在相应倍频点(如40MHz、60MHz等 频点)附近的干扰值也比较集中。提取数据得到10 MHz时峰值点为9.999MHz(62.643dBp V), 20 MHz时的峰 值点为 20.002MHz(61.692dBp V)，77MHz 时的峰值点为 19.264MHz(48.049dBp V)以及77.042MHz(47.316dBp V)。可以看出，77MHz时干扰强度和密度反而要弱 于20MHz，可能是由于77MHz是MCU工作的极限时钟，此时工作性能受到一定影 响，导致测试的结果有所不同。 由于汽车电子MCU的工作时钟可以选择外部晶振或者内部PLL倍频，所以 要对两种情况分别测试，
15、以便比较是否有差别。运行ADC程序后的测试结果如图 11 所示。牺M轉常豪卜jw 能 kMT DMI WFWlJfflU ItipWISH*训ilN 弹 MrDti Ira lflt.1 1.5 kkf；Wkri 500 11KHNH1图11 PLL vs.外部晶振(10MHz)从图 11 中可以看出，在频谱范围内各个峰值点的分布大致相同，整个频谱范围内没有明显差异，MCU通过外部晶振或PLL倍频两种方式测得的结果基本一致，时钟源选择上不会对芯片的电磁干扰强度带来影响。3.3 150Q 测试（1）设备装置连接同1Q测试法的步骤；（2）根据芯片电源类型，电源分为4路，分别是VDD1 （数字10供电的5V电 源信号）、VDD2（为ADC和PLL供电的LDO的5V电压）、VDD3（数字逻辑LDO的 5V电压输入）和VDD4（Flash的5V电压输入）。可单独对每一路电源的干扰噪声 进行捕捉，连接方式与1
