汽車電子系統(tǒng)EMI/EMC測試之極近場EMI掃描技術

中心議題：

極近場EMI掃描技術 EMI近場輻射特性

解決方案：

擴頻時鐘發(fā)生器（SSCG）的輻射特性掃描 對比第二代半雙工串行解串器（串行器/解串器）系統(tǒng)與第三代全雙工系統(tǒng)

　　汽車廠商往往采用最新的消費電子系統(tǒng)來體現與其他廠商汽車的差異化，該系統(tǒng)必須在各種苛刻的條件下都能正常工作。動力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和其它汽車控制系統(tǒng)也都有同樣的要求，一旦出現故障，這些系統(tǒng)會導致更加嚴重的后果。

　　汽車電子系統(tǒng)對于供應商提供的芯片和印制電路板的電磁輻射特別敏感。因此，SAE（原汽車工程師協(xié)會）已經定義測試規(guī)范并建立滿足電磁兼容（EMC）和電磁干擾（EMI）的需求，并對其進行了不斷的完善。采用極近場EM掃描技術，供應商的設計團隊可以通過一個桌面系統(tǒng)來計量并立即顯示輻射的空間和頻譜特性，避免以后在更高費用的模塊、系統(tǒng)或整車級測試中出現問題。

　　本文討論幾個能夠展示這種測試價值的例子。第一個例子是關于“擴頻時鐘發(fā)生器（SSCG）”的輻射特性，分別在“關”和“開”的狀況下對其掃描。在第二個例子中，設計團隊對比了第二代半雙工串行解串器（串行器/解串器）系統(tǒng)與第三代全雙工系統(tǒng)。結果驗證了新一代功能及其優(yōu)勢，不但幫助客戶縮短了產品上市時間，并在客戶中產生了積極的影響。

極近場EMI掃描技術

　　快速磁性極近場測量儀器可以捕獲和顯示頻譜和實時空間掃描結果的可視圖像。芯片廠商和PCB設計工程師可以掃描任何一塊電路板，并識別出50kHz至4GHz頻率范圍內的恒定或時基的輻射源。這種掃描技術有助于快速解決廣泛的電磁設計問題，包括濾波、屏蔽、共模、電流分布、抗干擾性和寬帶噪聲。

　　在任何新PCB的開發(fā)過程中，設計工程師都必須找出設計之外的輻射體或射頻泄漏，并對其進行描述和處理以通過一致性測試?？赡艿妮椛潴w包括高速、大功率器件以及具有高密度或高復雜度的器件。掃描系統(tǒng)以疊加在Gerber文件上的形式顯示空間輻射特性，因此測試人員可以準確地找出所有輻射問題的來源。設計工程師可以在采取了相應的解決措施之后，對器件進行重新測試并立即量化出校正設計后的效果。

　　掃描系統(tǒng)由一個掃描儀、小型適配器、一個客戶提供的頻譜分析儀和運行掃描系統(tǒng)軟件的PC組成。臺式掃描儀包括2，436條回路，可產生1，218個間隔為7.5mm的磁場探針，形成一個電子開關陣列并提供高達3.75mm的分辨率。系統(tǒng)工作頻率范圍為50kHz至4GHz，通過可選的軟件密鑰啟用。

　　這樣，用戶就可以自行對設計進行測試，而不必依賴另外一個部門、測試工程師或進行耗時的場外測試。工程師甚至可以在診斷一個間歇故障之后，對設計進行更改，很快再進行測試。測試的結果可以對設計更改的影響進行精確的驗證。

　　借助掃描系統(tǒng)，電路板設計工程師可以預先測試和解決電磁兼容問題，從而避免產生非預期的一致性測試結果。掃描儀的診斷功能可以幫助設計團隊將輻射測試時間縮短兩個數量級以上。

EMI近場輻射特性：SSCG示例

　　某一大型半導體廠商在解串器的并行總線上實現了SSCG功能。SSCG功能能夠通過將輻射峰值能量擴展到更寬的頻帶上來減少輻射。如下面的圖1所示，頻率變化發(fā)生在額定時鐘中心頻率（中心擴頻調制）附近，擴展的頻譜為正或負1.0%（fdev）。在接收器并行總線端，輸出以千赫茲（fmod）的調制速率隨時間調制時鐘頻率和數據頻譜。定制的串行解串器芯片組的目標客戶是要求所安裝電子設備具有低EMI輻射特性的汽車廠商。

圖1：擴頻時鐘功能。

　　公司期望用令人信服的量化證據來向汽車廠商說明SSCG功能可以有效降低EMI輻射。為了實現這個目標，設計團隊首先在SSCG功能為“關”的情況下將待測器件（DUT）放其內部掃描儀上，加電，然后在PC中捕獲輻射特性。為了進行有效的對比，在打開SSCG功能的情況下，對同一待測器件進行了掃描。

　　極近場掃描系統(tǒng)完成了空間和頻譜掃描后顯示并生成了以下輻射特性圖。需注意的是，掃描結果疊加在Gerber設計文件上，因此這樣對結果進行分析可以立即確定待測器件中的具體輻射體。圖2顯示了SSCG功能為“關”時待測器件的輻射特性。

圖2：SSCG功能為“關”時測得的EMI輻射特性。

　　圖3為SSCG功能為“開”時待測設備輻射的空間和頻譜（幅度與頻率）特性。通過對比，可以發(fā)現輻射已經顯著減少。

圖3：SSCG功能為“開”時的EMI輻射特性。

　　對測試結果進行比較之后，設計團隊發(fā)現由于使用了SSCG功能導致電磁輻射顯著減少。汽車電子工程師最大的挑戰(zhàn)在于減少EMI輻射?？蛻糁С謭F隊每次向汽車廠商客戶展示這些結果時，他們普遍都表現出了極大的興趣。任何降低EMI的功能（此案例中為SSCG功能）都可以縮短上市時間、降低屏蔽和成本支出。

EMI近場輻射特性：新一代串行解串器例子

　　這是同一家半導體供應商的第二個例子，該公司開發(fā)了一個通過串行解串器進行點到點傳輸的第二代芯片組解決方案。在第三代芯片組中，設計團隊采用了一種不同的技術并升級了傳輸能力。他們將雙向控制通道一起嵌入高速串行鏈路中，從而實現了雙向傳輸（全雙工）。

　　為了量化比較半雙工解串器與新一代全雙工設計的輻射特性，設計團隊再次使用了內部的EMI極近場掃描儀。他們將原來的半雙工板放在掃描儀上，進行基線測量。對待測器件加電后，他們在PC上激活了掃描儀。（參見圖4）

圖4：半雙工和全雙工串行解串器器件的EMI掃描的測試環(huán)境。

　　采用同樣的測試設置，設計團隊用新一代全雙工芯片組板替代了基線板，同時也針對每一條特性保持了同樣的規(guī)格。如上文所述，需注意的是，空間掃描疊加在每次生成的Gerber設計文件上，以幫助工程師可以確定任何存在的輻射源。

　　基線（半雙工）系統(tǒng)的空間和頻譜特性如圖5所示。圖6展示了全雙工模式下的輻射掃描結果。

圖5：基線掃描結果：半雙工模式下的串行解串器。

圖6：輻射特性：全雙工模式下的串行解串器。

　　設計團隊對空間掃描結果和頻譜掃描結果進行了仔細的對比。很多人可能認為輻射特性會由于擴展的雙向傳輸功能而呈現出更高的電磁輸出。而實際上，與基線相比，全雙工模式下沒有出現尖峰信號并且峰值輻射基本相似，甚至其EMI特性還略有改進（空間掃描結果呈現更深的藍色）。測試結果證明全雙工模式的新芯片組未出現明顯的變化（見圖3），設計團隊在沒有采取任何額外緩解措施的情況下實現了全雙工功能。

　　這些測試是利用這家半導體公司的內部極近場掃描系統(tǒng)進行的。在短短的幾分鐘內，就獲得了上文所示的結果。因為輻射特性結果清楚的展示了其優(yōu)越的性能，設計無需采取任何額外的緩解措施。

　　相比而言，要在第三方測試箱中測試新設計，就要求工程師前往場外測試場所，并會耗費大半天的時間。使用測試箱往往需要提前幾周安排，這會給開發(fā)過程帶來極大的延誤。

　　極近場掃描解決方案不會替代在測試箱中測試設計的需求。不過，這種儀器可以在簡便的桌面系統(tǒng)中實現快速的前后一致性測試功能。

　　與在測試箱中進行的遠場測量相比，極近場EMI特性可以提供實時反饋。此外，這些測量結果與在測試箱中測得的遠場測量結果具有很高的相關性。因此，諸如EMxpert等極近場儀器可以減少在測試箱中進行類似測試的數量?？傊?，這可以幫助設計團隊加快測試進程，更快地得到測試箱測試的一致性測試結果。

本文小結

　　汽車工程師不斷面臨著降低電磁干擾和確保所有汽車電子系統(tǒng)的電磁兼容的挑戰(zhàn)。如果引入了新器件但沒有進行充分的測試，這些工作就會越來越困難。當供應商能夠有力證明新功能可以像上文的兩個例子所示一樣具有降低EMI的效果時，就能引起客戶極大的興趣。

　　在上文的兩個例子中，供應商提供的結果顯示采用了SSCG功能可以降低EMI，同時在新一代串行解串器例子中其輻射特性則沒有變化。因此，極近場EM掃描可以縮短每個產品的設計周期，無需采取任何額外措施并為汽車廠商降低成本。

　　對于供應商而言，極近場EMI掃描技術可以實現極具說服力的頻譜掃描，并且可以直觀的把空間掃描結果疊加在Gerber設計文件上。這些功能可以幫助設計工程師記錄和測量其產品新功能組的EMI特性。設計工程師繼而可以在采取了新的緩解措施或者其它設計變更后快速的進行重新測試。因此，供應商設計團隊也縮短了產品上市時間，而極具說服力的掃描結果可以使方案得到汽車廠商更快的采納。