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(fù)雜，工作電壓也在降低。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)電路里產(chǎn)生的信號(hào)或噪聲與同一個(gè)芯片內(nèi)另一個(gè)電路的運(yùn)行彼此干擾時(shí)，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(shí)開關(guān)噪聲)和Crosstalk(串音)，它們都會(huì)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(hào)進(jìn)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(duì)外輻射的電磁兼容方面問題。基于以上情況，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(jì)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(jì)和測(cè)試方法，而且有必要與集成電路的應(yīng)用相結(jié)合。針對(duì)汽車電子領(lǐng)域來講，將對(duì)整車級(jí)、零部件級(jí)的電磁兼容要求強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合到集成電路的設(shè)計(jì)中，才能使電路更易于設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(jì)方法，依據(jù)IEC61967傳導(dǎo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)汽車電子MCU進(jìn)行電磁干擾的測(cè)試。

汽車電子MCU設(shè)計(jì)方法

下面介紹在汽車電子MCU中使用的可行性設(shè)計(jì)方法以及其他幾種抗EMI設(shè)計(jì)技術(shù)。

時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

由于時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)一般都是周期信號(hào)，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(gè)部分的時(shí)鐘信號(hào)通常由同一時(shí)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(jìn)而增大輻射的幅值，因此說時(shí)鐘電路是一個(gè)非常大的污染源。 針對(duì)汽車電子MCU 數(shù)字前端設(shè)計(jì)，在抗EMI方面采用門控時(shí)鐘的方法改進(jìn)。任何時(shí)鐘在不需要時(shí)都應(yīng)關(guān)閉，減低工作時(shí)鐘引起的電磁發(fā)射問題。根據(jù)A8128(汽車電子MCU的型號(hào))芯片系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、外設(shè)模塊時(shí)鐘進(jìn)行適當(dāng)門控。此外，還有幾種在時(shí)鐘方面常見的抗EMI的設(shè)計(jì)方法，包括：① 降低工作頻率MCU的工作時(shí)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(cè)試結(jié)果可以看出，一個(gè)MCU的運(yùn)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(jì)異步電路工作沒有鎖定一個(gè)固有頻率，電磁輻射大范圍均勻分布而不會(huì)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(kuò)展頻譜擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘是一項(xiàng)能夠減小輻射測(cè)量值的技術(shù)，這種技術(shù)對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行1%~2%的調(diào)制，擴(kuò)散諧波分量，在CISPR16或FCC發(fā)射測(cè)試中峰值較低，但這并非真正減小瞬時(shí)發(fā)射功率。因此，對(duì)一些快速反應(yīng)設(shè)備仍可能產(chǎn)生同樣的干擾。擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘不能應(yīng)用于要求嚴(yán)格的時(shí)間通信網(wǎng)絡(luò)中，比如FDD、以太網(wǎng)、光纖等。

IO端口設(shè)計(jì)

在汽車電子MCU 的輸入輸出端口設(shè)計(jì)中，也加入了抗EMI方案，包括翻轉(zhuǎn)速率(slew rate control)和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(dòng)強(qiáng)度寄存器，在需要的時(shí)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(jìn)而控制芯片產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度。驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流和弱驅(qū)動(dòng)電流兩種選擇，在能夠滿足工作驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的情況下，選擇弱電流驅(qū)動(dòng)會(huì)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(hào)中帶進(jìn)來的尖峰或者噪聲信號(hào)等，對(duì)芯片的電磁抗擾度有所幫助。

原文標(biāo)題：汽車電子MCU的抗EMI設(shè)計(jì)

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