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车载电子设备不可或缺的EMC/EMI

   日期:2016-06-02    
核心提示:工程师可遵循文中介绍的诀窍与技巧,并慎选适当组件,即可设计出更稳健的系统,确保车用系统不受EMI问题干扰,从而更加可靠地运作。

汽车产业与各家汽车制造商都必须符合多种电磁兼容性(EMC)要求,例如,其中有两项要求在于确保电子系统不至于产生过多电磁干扰(EMI)或噪声,同时也不受其他系统产生的噪声影响。本文重点介绍这一部份的要求,并提供多项设计技巧,确保设备设计符合EMC/EMI要求。

车用EMC要求概述

CISPR 25标准内含多项测试方法与建议限制,以评估即将安装在车内的零组件辐射排放量。除了CISPR25提供的内容,多数车厂亦自定义标准,以补充CISPR 25指南,CISPR 25测试的主要目的在于确保零组件安装后,也不会干扰车内其他系统。CISPR 25要求测试时,室内电磁噪声值必须比实测的最低值更低6dB,在这项测试的噪声值要求最低为18dB(μV/m),而环境值需在12dB(μV/m)以下,相当于一般AM电台距天线一公里的磁场强度。

在当今的环境中,满足这项要求的唯一方法是使用经过特殊设计及兴建的空间,才能确保测试环境不受外在磁场影响。测试实验室一般皆有固定规格,由于必须保护测 试空间不受室内产生的信号反射干扰,因此测试室在选用墙面材质时,必须着重于不反射电磁波的要求。测试实验室造价不斐,通常以每小时租用计。为了 节省成本,最好能在设计时间先评估EMC/EMI议题,以便一次测试就成功。

另一项测试标准为ISO 11452-4大电流注入(BCI)测试序列,可验证零组件是否受到窄频电磁场影响,过程中使用电流探棒,将干扰信号直接导入电路。

成功实现EMC测试的设计技巧

保持较小回路:磁场成形后,由传导材料形成的回路可做为天线,将磁场转换为流经回路的电流,电流强度与封闭回路区域大小成正比,因此要尽量避免回路产生,所需封闭区域也愈小愈好。若有差分数据讯号,就可能在差分线路的发送器与接收器之间出现回路。

若两项子系统共享电路(如显示器与驱动显示器的引擎控制单元),也很容易出现回路。汽车底盘内含共同接地(GND),连接显示器与系统的引擎控制单元 (ECU),当视频信号以自有接地电路链接至显示器,就会在接地平面内产生大型回路。这种情况有时无法避免,若是在接地联机内增加电感或磁珠,虽然DC回 路仍会存在,但以射频(RF)辐射而言,回路已经破坏。

此外,只要讯号送至双绞线电缆,每组差分驱动器/接收器就会形成回路,通常因为双绞线耦合紧密,这个回路会在电路上占据一小块区域,但只要讯号抵达电路板,应维持紧密耦合,以避免扩大回路范围。

旁路电容不可或缺:CMOS电路颇受欢迎,部份原因在于其高速及功率耗散极低,理想情况下,CMOS电路只有在改变状态以及节点电容需要充电或放电时,才会消耗功率。以供电而言,CMOS电路平均若需要10mA,在频率转换阶段的电流需求以倍数计,而在周期之间的需求则很低,因此,辐射限制途径着重于电压与电流峰值,而非平均值。

频率转换过程中,从电源到芯片电源针脚的电流突增即为辐射一大来源。若在每个电源针脚旁安装旁路电容,芯片在频率边缘所需的电流将直接取自电容,而电容内的电荷则趁着周期之间使用较低、较稳定的电流累积。较大电容适合供应高电流突增,但对超高速需求则常反应不及;超小型电容能迅速因应需求,但总充电量有限, 很快就会耗尽。对多数电路而言,最佳解决方案为并用不同尺寸的电容,例如1-μF与0.01-μF的电容,将较小型电容紧靠着芯片的电源针脚,而较大型电容可距离较远。

良好阻抗降低EMI:当高速讯号通过传输线,遇上特性阻抗改变时,部份讯号会反射回源头,其余维持原有方向不变。反射也就导致辐射,为了达到低EMI,必须采用优良的高速设计。有关传输线电源的设计信息众多,以下提供几项设计传输线的建议要点:

1在接地平面与讯号走线之间存在讯号,若任一方受到干扰,辐射就会产生,故需注意接地平面断流器,或是讯号走线以下不连贯问题。

2避免讯号走线出现锐角,圆弧远优于直角。

4FPD-Link讯号通常会经过零组件,例如电源供应缆线、电源连接点、AC耦合电容等,为减少零组件反射率,建议使用0402尺寸的小型零组件,并设定走线宽度与0402零组件相同;此外,还必须通过控制堆栈里的电介质厚度设定走线的特性阻抗。

屏蔽保护:理想的屏蔽方法并没有什么快捷方式,但必须以尽可能降低辐射为目标,在可能引发问题的电路周围实施保护措施。虽然它仍可能辐射能量,但理想的屏蔽方式能够在辐射散逸出来以前加以撷取并导向接地,图2说明遮蔽如何控制EMI。

屏蔽形式不一,可以将系统封锁在传导箱中,或是以金属材质量身订做,焊接在辐射源头外围。

切勿过快:设计人员常会担心时间误差,因此选择最快逻辑组件来缩小时间误差,但超快逻辑组件的脉冲边缘陡峭,且频率非常高,往往会产生EMI。若想减少系统EMI量, 可选择符合时间需求的低速逻辑组件,或者许多FPGA可降低驱动强度,借此降低边缘速率。有时亦可使用逻辑电路上的串联电阻,减低系统讯号内的转换速率。

接地电路短:电流进入芯片后都会流出,本文介绍的几项设计技巧中,和芯片连接距离都很近,例如旁路电容接近芯片、回路愈小愈好等,但设计人员常忘记接地电流路径必须回到 源头。在理想情况下,电路板有一层专用于接地,与GND的路径也该和取道相去不远。但在有些电路板的配置中,接地平面设有断流器,会迫使接地电流从芯片返 回电源时选用较长路径,而GND电流使用这条路径时,也会如天线般传送或接收噪声。

供电线电感:前面曾说明利用旁路电容抵销电流突增的冲击,这在供电线上的电感功能也是相同的。在电源在线设置电感或铁氧磁珠后,强制与电源线相连的电路自旁路电容汲取电源,而非直接向电源取电,从而满足其动态功率需求。

开关电源输入限制:为了解决EMI问题,必须尽可能降低dv/dt与di/dt,DC/DC转换器看似完全无害,但它其实无法直接从DC转换至DC,而是从DC至AC再转换至DC,在转换期间,AC就可能产生EMI问题。

车用设计人员常担心AM无线电频段会造成干扰,车辆大多数均配备AM无线电,这种高增益放大器相当敏感,可调谐频率范围介于500kHz至1.5MHz之 间,若组件在此频率内发送讯号,就可能在AM无线电中听见。许多开关电源的频率都位于此频段中,可能对汽车应用造成问题,故多数车用开关换电源均使用高于 此频段以上的切换频率——通常是超过2MHz,若开关电源的输入或输出过滤不足,部份噪声就可能进入对基频或次谐波频率敏感的子系统。

注意共振:电感与电容经常用于避免可能发生EMI的dv/dt及di/dt问题,但电感与电容也可能造成自共振,不过,通过增加电阻与电感并联,吸收振荡产生的能量,可避免引发问题。另一种潜在问题来自串联电感(独立组件或电源线的寄生电感)连接至具有旁路电容的组件,由此形成的L-C电路可能在共振频率中振荡,同样地,这项问题也可藉由增设与电感并联的电阻加以解决。

展频频率降低峰值辐射:在FPD-Link串行/解串行器(SerDes)等组件中,数据总线与频率通常具备展频频率选项,在展频频率中,频率讯号经过调变,导致频率与数据讯号的边缘涵盖的频段更加广泛,由于EMI规格可限制频段内任何频率的峰值辐射,因而扩大频段覆盖范围有助于降低噪声峰值。

DS90UB914A-Q1解串行器即为一例,它通常搭配DS90UB913A-Q1串行器使用,在先进驾驶辅助(ADAS)系统的摄影机与处理器之间建立视讯链接,解串行器将摄影机的影像传感器频率送至串行器,并输出频率与数据供处理器使用。高速频率内同时转换的10至12条高速资源电路,即为EMI的一大主要来源,为了降低此EMI,DS90UB914A可在输入数据内使用展频频率,而非影像传感器提供的低抖动频率,该展频频率透过解串行器的缓存器进行控制。

当今的汽车除了娱乐及舒适功能外,许多重要运作也仰赖电子设备,更需要确保运作不因干扰出错,以及不至于干扰车内的其他系统。工程师可遵循文中介绍的诀窍与技巧,并慎选适当组件,即可设计出更稳健的系统,确保车用系统不受EMI问题干扰,从而更加可靠地运作。

 
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