汽車電子的EMC設(shè)計(jì)

基底噪聲的另一個(gè)來源是碰撞離化(impact-ionization)電流，該噪聲跟工藝技術(shù)有關(guān)，當(dāng)NMOS晶體管達(dá)到夾斷(pinch-off )電壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。碰撞離化會(huì)在基底產(chǎn)生空穴電流(正的瞬間電流)。

通常，基底噪聲的頻率范圍可能高達(dá)1GHz，因此必須考慮趨膚效應(yīng)。趨膚效應(yīng)是指導(dǎo)體上隨著深度的增加感應(yīng)系數(shù)增大，在導(dǎo)體的中心位置達(dá)到最大值。趨膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致片上信號(hào)的衰減以及信號(hào)在芯片p＋基底層的失真。為最大程度減小趨膚效應(yīng)，要求基底厚度小于150微米，該尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于某些基底允許的最小機(jī)械厚度，然而更薄的基底更易碎。

噪聲源

微控制器內(nèi)部存在四種主要的噪聲源：內(nèi)部總線和節(jié)點(diǎn)同步開關(guān)產(chǎn)生的電源和地線上的電流；輸出管腳信號(hào)的變換；振蕩器工作產(chǎn)生的噪聲；開關(guān)電容負(fù)載產(chǎn)生的片上信號(hào)假象。

許多設(shè)計(jì)方法可以降低同步開關(guān)噪聲(SSN)。穿透電流是SSN的一個(gè)主要來源， 所有的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器、總線驅(qū)動(dòng)器以及輸出管腳驅(qū)動(dòng)器都可能受到這種效應(yīng)的影響。這種效應(yīng)發(fā)生在互補(bǔ)類型的反相器中 ，輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)p溝道晶體管和n溝道晶體管瞬間同時(shí)導(dǎo)通。確保在互補(bǔ)晶體管導(dǎo)通之前關(guān)斷另一個(gè)晶體管就可以實(shí)現(xiàn)穿透電流最小，在大電流驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，這可能要求一個(gè)前置驅(qū)動(dòng)器來控制該節(jié)點(diǎn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換率。

切斷不需要使用模塊的時(shí)鐘也可以降低SSN。很明顯，該技術(shù)同具體應(yīng)用十分相關(guān)，應(yīng)用該技術(shù)可以提高EMC性能。在類似摩托羅拉的MPC555和565這樣高度集成的微控制器芯片中，所有芯片的外圍模塊都具有這樣的功能。

SSN也會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，瞬間的電源和地電流會(huì)通過器件管腳流向外部的去耦電容。如果該電路(包括邦定線、封裝引線以及PCB線)形成的環(huán)路足夠大，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)發(fā)射。而環(huán)路中的寄生電感會(huì)產(chǎn)生電壓降，將進(jìn)一步產(chǎn)生共模輻射干擾。

共模輻射電場E的強(qiáng)度由下面等式計(jì)算：
E = 1.26 x 10-6 Iw f l/d
E = 1.26 x 10-6 Iw f l/d

這里E的單位是伏特/米，Iw的單位是安培，f是單位為赫茲，l是路徑長度，d是到該路徑的距離，l和d的單位都是米。 復(fù)雜設(shè)計(jì)中頻率由特定的應(yīng)用需求來確定，不可能降低，因此SoC設(shè)計(jì)工程師必須認(rèn)真考慮如何通過降低Iw或l來降低電場強(qiáng)度。

處理好時(shí)鐘域也能降低SSN。許多優(yōu)秀的SoC設(shè)計(jì)都是同步電路，這樣容易在時(shí)鐘上下沿處產(chǎn)生很大的峰值電流。將時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器分布在整個(gè)芯片中，而不是采用一個(gè)大的驅(qū)動(dòng)器，這樣可以使瞬態(tài)電流分布開。另外一種可能的辦法是確保時(shí)鐘不互相重疊。當(dāng)然必須小心避免由于時(shí)序不匹配而產(chǎn)生競爭。更重要的是，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該在遠(yuǎn)離敏感的I/O邏輯信號(hào)，特別是模擬電路。

當(dāng)前的復(fù)雜嵌入式MCU有許多輸出信號(hào)，大多數(shù)輸出信號(hào)都必須能夠快速地響應(yīng)電容負(fù)載。這些信號(hào)包括時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、地址和高頻串行通信信號(hào)。對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)來說，穿透電流和容性負(fù)載都會(huì)產(chǎn)生噪聲。應(yīng)用同樣的技術(shù)處理內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以解決輸出管腳驅(qū)動(dòng)器電路噪聲問題。另外，管腳上信號(hào)的快速變換會(huì)產(chǎn)生反射引起的輸出信號(hào)線上的信號(hào)振鈴和串?dāng)_。

將這種類型的噪聲源減到最小有許多解決方案。輸出驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可以控制，并且可以增加信號(hào)轉(zhuǎn)換速率控制電路來限制di/dt。由于大多數(shù)器件測試設(shè)備同最終應(yīng)用相比，測試節(jié)點(diǎn)電容更高，所以通常更愿意指定一個(gè)固定值來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的控制。例如，假定MPC5XX系列的MCU微控制器芯片的CLKOUT滿驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度是一個(gè)90pF的負(fù)載，并且是專為測試目的而設(shè)定。除了因?yàn)闀r(shí)序而考慮滿驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度外，最好使用降低的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

上面介紹的技術(shù)對(duì)于降低噪聲有積極的作用，由于瞬態(tài)電流包絡(luò)延長，平均的電流實(shí)際上會(huì)增加。在芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)LVDS物理層也可以減小由于輸出管腳上大的瞬態(tài)電流產(chǎn)生的噪聲，這種方式依靠差模電流源來驅(qū)動(dòng)低阻抗的外部負(fù)載(圖2)。電壓的擺幅限制在±300mV范圍內(nèi)。

支持這種技術(shù)所需增加的管腳可以通過減少電源管腳來彌補(bǔ)，由于這種實(shí)現(xiàn)方式有效地降低了片上瞬態(tài)電流，因而輸出驅(qū)動(dòng)器通過電源基本上維持一個(gè)恒定的直流電流，而傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器中的瞬態(tài)電流則會(huì)在電容性負(fù)載上產(chǎn)生大的電壓擺幅。

在振蕩器設(shè)計(jì)中有兩個(gè)方面會(huì)影響到EMC：輸入和輸出信號(hào)波形的形狀會(huì)產(chǎn)生影響；通過頻率抖動(dòng)來實(shí)現(xiàn)頻譜展寬并降低其窄帶功率的能力。

振蕩器從本質(zhì)上屬于模擬電路，因而對(duì)工藝、溫度、電壓和負(fù)載效應(yīng)比SoC中的數(shù)字電路更敏感。使用自動(dòng)增益控制(AGC)電路形式的反饋來限制振蕩器信號(hào)幅度可以消除大部分這些效應(yīng)。AGC的另外一種替代實(shí)現(xiàn)就是雙模式振蕩器，可以在高電流模式和低電流模式之間切換。初始狀態(tài)下，電源接通時(shí)使用高電流模式確保較短的啟動(dòng)時(shí)間，然后切換到低電流模式確保最小噪聲。

在集成了作為振蕩器電路一部分的鎖相環(huán)的SoC設(shè)計(jì)中，可以利用頻率抖動(dòng)在很小的范圍內(nèi)改變時(shí)鐘頻率，這樣隨著頻率在一個(gè)范圍上展開，可以減少基本能量。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須仔細(xì)考慮確保這種改變的比率以及頻率范圍不會(huì)影響最終應(yīng)用中關(guān)鍵器件的時(shí)序。而在類似CAN、異步SCI和定時(shí)的I/O功能等廣泛應(yīng)用于汽車的串行通信中不能采取該方式。芯片上的開關(guān)噪聲表明其自身就是期望信號(hào)輸出的一個(gè)阻尼振蕩，這是電感與芯片上負(fù)載電容串聯(lián)組合而產(chǎn)生的結(jié)果。對(duì)一個(gè)典型的片上總線來說，負(fù)載是一個(gè)連接到許多三態(tài)緩沖器的長的PCB布線，該負(fù)載的主體是電容，包括柵極，pn結(jié)以及互聯(lián)電容。

消除電感或者降低di/dt可以減小或者消除噪聲。只有當(dāng)噪聲幅度大到會(huì)引起連接節(jié)錯(cuò)誤開關(guān)時(shí)，才需要認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)中的噪聲問題。

降低對(duì)于外部噪聲源的敏感性包括對(duì)外部器件以及內(nèi)部設(shè)計(jì)的考慮。外部的瞬態(tài)電流會(huì)引起管腳上的兩種情況：電壓變化會(huì)導(dǎo)致容性耦合的電流進(jìn)入器件；超出電源范圍的電壓最終會(huì)通過電阻路徑將電流傳導(dǎo)到器件中。

汽車電子設(shè)計(jì)中，通常用外部RC濾波器來限制瞬態(tài)電壓擺幅和注入電流。必須小心，確保外部器件值考慮到漏電流效應(yīng)，尤其是模擬輸入時(shí)。值得注意的是，MCU和外圍IC的I/O管腳通常多達(dá)200個(gè)，這種解決方案所需的額外成本和電路板空間使工程師在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不愿意采用。最好的解決辦法是實(shí)現(xiàn)在芯片上的高度集成。

硬件和軟件技術(shù)可以協(xié)同實(shí)現(xiàn)EMC性能要求。例如，許多MCU都具有在外部總線上輸出內(nèi)部訪問的能力，通常情況下這些都是不可見的。這種方式對(duì)于調(diào)試非常有用，但是在一些設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)南到y(tǒng)中可能會(huì)產(chǎn)生外部的總線競爭，從而使相關(guān)噪聲增加。

在過去的工作中我曾遇到芯片上A/D變換器讀取值不正確的類似問題，該問題看上去似乎噪聲在某種程度上干擾了測量或者是變換。通過了解系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，從表面上了解A/D變換器的輸入部分似乎一切都很正常，但是我注意到外部的EPROM以某種方式實(shí)現(xiàn)解碼，而這種解碼方式在某些非常特殊的情況下可能會(huì)引起總線競爭，這種競爭不會(huì)影響程序的任何運(yùn)行，但是會(huì)產(chǎn)生足夠的噪聲，因此會(huì)出現(xiàn)A/D變換偶然的錯(cuò)誤。通過改變解碼邏輯就迅速解決了這個(gè)問題。