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| 汽車電子MCU的抗EMI設(shè)計 |
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| 文章來源：永阜康科技 更新時間：2021/2/21 9:51:00 |
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隨著集成電路集成度的提高，越來越多的元件集成到芯片上，電路功能變得復雜，工作電壓也在降低。當一個或多個電路里產(chǎn)生的信號或噪聲與同一個芯片內(nèi)另一個電路的運行彼此干擾時，就產(chǎn)生了芯片內(nèi)的EMC問題，最為常見的就是SSN(Simultaneous Switch Noise，同時開關(guān)噪聲)和Crosstalk(串音)，它們都會給芯片正常工作帶來影響。由于集成電路通過高速脈沖數(shù)字信號進行工作，工作頻率越高產(chǎn)生的電磁干擾頻譜越寬，越容易引起對外輻射的電磁兼容方面問題�；谝陨锨闆r，集成電路本身的電磁干擾(EMI)與抗擾度(EMS)問題已成為集成電路設(shè)計與制造關(guān)注的課題。
集成電路電磁兼容不僅涉及集成電路電磁干擾與抗擾度的設(shè)計和測試方法，而且有必要與集成電路的應(yīng)用相結(jié)合。針對汽車電子領(lǐng)域來講，將對整車級、零部件級的電磁兼容要求強制性標準，結(jié)合到集成電路的設(shè)計中，才能使電路更易于設(shè)計出符合標準的最終產(chǎn)品。作為電子控制系統(tǒng)里面最為關(guān)鍵的單元——微控制器(MCU)，其EMC性能的好壞直接影響各個模塊與系統(tǒng)的控制功能。
本文在汽車電子MCU 中采用抗EMI的設(shè)計方法，依據(jù)IEC61967傳導測試標準，對汽車電子MCU進行電磁干擾的測試。
汽車電子MCU設(shè)計方法
下面介紹在汽車電子MCU中使用的可行性設(shè)計方法以及其他幾種抗EMI設(shè)計技術(shù)。
時鐘電路設(shè)計
由于時鐘電路產(chǎn)生的時鐘信號一般都是周期信號，其頻譜是離散的，離散譜的能量集中在有限的頻率上。又由于系統(tǒng)中各個部分的時鐘信號通常由同一時鐘分頻、倍頻得到，它們的譜線之間也是倍頻關(guān)系，重疊起來進而增大輻射的幅值，因此說時鐘電路是一個非常大的污染源。
針對汽車電子MCU 數(shù)字前端設(shè)計，在抗EMI方面采用門控時鐘的方法改進。任何時鐘在不需要時都應(yīng)關(guān)閉，減低工作時鐘引起的電磁發(fā)射問題。根據(jù)A8128(汽車電子MCU的型號)芯片系統(tǒng)功能設(shè)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系統(tǒng)時鐘、外設(shè)模塊時鐘進行適當門控。此外，還有幾種在時鐘方面常見的抗EMI的設(shè)計方法，包括：
① 降低工作頻率
MCU的工作時鐘應(yīng)該設(shè)定為滿足性能要求所需的最低頻率。從下面的測試結(jié)果可以看出，一個MCU的運行頻率由80MHz變?yōu)?0MHz，可以使頻譜寬頻范圍內(nèi)的干擾峰值產(chǎn)生幾十dBμV 的衰減，而且能夠有效的降低功耗。
② 異步設(shè)計
異步電路工作沒有鎖定一個固有頻率，電磁輻射大范圍均勻分布而不會集中在特定的窄帶頻譜中。這一關(guān)鍵本質(zhì)特征決定了即使異步電路使用大量的有源門電路，它所產(chǎn)生的電磁發(fā)射也要比同步電路小。
③ 擴展頻譜
擴展頻譜時鐘是一項能夠減小輻射測量值的技術(shù)，這種技術(shù)對時鐘頻率進行1%~2%的調(diào)制，擴散諧波分量，在CISPR16或FCC發(fā)射測試中峰值較低，但這并非真正減小瞬時發(fā)射功率。因此，對一些快速反應(yīng)設(shè)備仍可能產(chǎn)生同樣的干擾。擴展頻譜時鐘不能應(yīng)用于要求嚴格的時間通信網(wǎng)絡(luò)中，比如FDD、以太網(wǎng)、光纖等。
IO端口設(shè)計
在汽車電子MCU 的輸入輸出端口設(shè)計中，也加入了抗EMI方案，包括翻轉(zhuǎn)速率(slew rate control)和驅(qū)動強度(drive strength)控制方法。通過在所有通用P口引入可配置的翻轉(zhuǎn)速率和驅(qū)動強度寄存器，在需要的時候打開相應(yīng)功能。翻轉(zhuǎn)速率有打開和關(guān)閉兩種選擇，打開后能夠有效地平緩上升沿或者下降沿，降低瞬態(tài)電流，進而控制芯片產(chǎn)生的電磁干擾強度。驅(qū)動強度有強驅(qū)動電流和弱驅(qū)動電流兩種選擇，在能夠滿足工作驅(qū)動強度的情況下，選擇弱電流驅(qū)動會更好的控制電磁干擾現(xiàn)象。
另外，基于GSMC 180nm工藝庫，選擇具有施密特觸發(fā)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。 |
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