【導(dǎo)讀】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(lái)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。
1 引言
隨著集成電路集成度的提高，越來(lái)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(lái)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。
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。
2 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)。
2.1 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(lái)進(jìn)而增大輻射的幅值，因此說(shuō)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。
2.2 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(kù)，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(lái)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。
3 汽車電子MCU測(cè)試方案
IEC61967標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)制定的有關(guān)集成電路電磁發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)，用于頻率為150kHz到1GHz的集成電路電磁發(fā)射測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)中涉及到輻射和傳導(dǎo)兩類測(cè)試方法，由于傳導(dǎo)方式的電磁干擾帶給芯片應(yīng)用上的影響更大一些，本次試驗(yàn)選取IEC61967-4直接耦合法進(jìn)行測(cè)試。該方法又分為1Ω測(cè)試法和150Ω測(cè)試法，1Ω測(cè)試法用來(lái)測(cè)試接地引腳上的總干擾電流，150Ω測(cè)試法用來(lái)測(cè)試輸出端口的干擾電壓。
在測(cè)試時(shí)，需要在進(jìn)行測(cè)試的電路中接入串聯(lián)電阻為1Ω的電流探針(探針即為1Ω測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)集成在EMC測(cè)試板的芯片地端與PCB地平面之間)，49Ω串聯(lián)放置為了形成50Ω匹配，用接收機(jī)測(cè)量射頻電流流經(jīng)該電阻時(shí)產(chǎn)生的射頻電壓，所測(cè)得的電壓應(yīng)為所有流回到集成電路的射頻電流在電流探頭上產(chǎn)生電壓的總和，測(cè)得的電壓值可以換算為流過探針的電流，測(cè)試環(huán)境圖如圖1所示。
圖1 1Ω測(cè)試環(huán)境
在150Ω測(cè)試中，集成電路的引腳通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的匹配網(wǎng)絡(luò)接到測(cè)試接收機(jī)，通過150Ω探針(探針即為150Ω測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)集成在EMC測(cè)試板上)可以測(cè)量SSN在輸入輸出端口和電源兩類引腳上的傳導(dǎo)干擾，通過計(jì)算可以將接收機(jī)測(cè)量的電壓轉(zhuǎn)換為噪聲電壓幅值，測(cè)試環(huán)境圖如圖2所示。
圖2 150Ω測(cè)試環(huán)境
下面是針對(duì)EMI進(jìn)行的1Ω和150Ω測(cè)試步驟，包括測(cè)試前準(zhǔn)備工作以及測(cè)試數(shù)據(jù)分析等。
3.1 測(cè)試前裝備工作
①環(huán)境溫度
本次實(shí)驗(yàn)集中在晚間進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)溫度控制在23±2℃范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
②環(huán)境噪聲電平
將DUT(被測(cè)設(shè)備)固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上且為斷電狀態(tài)，用EMI接收機(jī)測(cè)量殘留噪聲。本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境噪聲電平在可接受的測(cè)試要求內(nèi)，詳情請(qǐng)參看圖6。
③其他環(huán)境條件
所有其他可能影響測(cè)試結(jié)果的環(huán)境條件，例如環(huán)境濕度。本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的相對(duì)濕度為45%RH左右。
④確認(rèn)工作狀態(tài)
給DUT供電并檢查確認(rèn)IC處于正常的工作狀態(tài)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)時(shí)保持周圍的測(cè)試條件不變。
3.2 1Ω測(cè)試
(1)將SMA連接線一端連接到測(cè)試板，另一端連接到接收機(jī)(安捷倫N9030，內(nèi)置N141A電磁兼容測(cè)試軟件)，將EMI接收機(jī)的測(cè)量頻率范圍設(shè)置為150kHz到1GHz，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試操作的要求，分成150kHz~30MHz(RBW 為9kHz)和30MHz~1GHz(RBW 為120kHz)兩段。下面測(cè)試圖中綠色邊框范圍內(nèi)的是150kHz~30MHz，范圍外的是30MHz~1GHz。
結(jié)合汽車電子MCU 端口特性以及標(biāo)準(zhǔn)要求，將接地端口與1Ω網(wǎng)絡(luò)相連，再與SMA口相接，引入EMI接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，原理圖如圖3、圖4所示。
圖3 芯片的地網(wǎng)絡(luò)引腳
圖4 1Ω網(wǎng)絡(luò)
(2)選取可能影響EMC特性的因素，在時(shí)鐘上分別測(cè)試10MHz、20MHz以及77MHz頻率下電磁干擾大小數(shù)值，在測(cè)試功能上選取模數(shù)轉(zhuǎn)換程序ADC;
(3)測(cè)量每一段頻譜內(nèi)可能出現(xiàn)的干擾，提取各個(gè)諧波的包絡(luò)值，接收機(jī)的電壓可以換算為流過探針的電流。測(cè)試儀器以及EMC測(cè)試板如圖5所示;
圖5 實(shí)際測(cè)試環(huán)境
(4)在對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)試的時(shí)候要進(jìn)行多次測(cè)量，以便排除偶然因素的干擾。下面是各個(gè)測(cè)試情況的說(shuō)明;
①時(shí)鐘采用外部晶振10MHz，燒錄SRAM 中的程序?yàn)锳DC。圖6左側(cè)為未上電時(shí)的環(huán)境噪聲信號(hào)，右側(cè)為上電但未運(yùn)行程序的測(cè)量結(jié)果。
圖6 斷電vs.上電
通過對(duì)比可以得出上電之后在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)干擾強(qiáng)度變大，時(shí)鐘的固定周期將使電磁輻射集中在時(shí)鐘基波和諧波附近很窄的頻譜范圍內(nèi)。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開公式可以得出，在時(shí)鐘倍頻處的頻點(diǎn)其干擾值也越大，所以在10MHz、20MHz等倍頻點(diǎn)處的現(xiàn)象更明顯，
②為了進(jìn)一步對(duì)比，運(yùn)行ADC程序，分別在10MHz、20MHz以及77MHz時(shí)鐘下進(jìn)行測(cè)試，比較不同時(shí)鐘接地引腳總干擾電流大小，測(cè)試結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。
圖7 10MHz—ADC測(cè)試圖
圖8 20MHz—ADC測(cè)試圖
圖9 77MHz—ADC測(cè)試圖
圖10 10/20/77MHz—ADC測(cè)試數(shù)據(jù)整理
圖7、圖8、圖9分別是10MHz、20MHz和77MHz的測(cè)試圖，圖10是整理后的數(shù)據(jù)。通過對(duì)比可以得出，頻譜大致集中在100MHz以內(nèi)，在對(duì)應(yīng)工作時(shí)鐘的主頻點(diǎn)處干擾值最大，10MHz、20MHz情況下在相應(yīng)倍頻點(diǎn)(如40MHz、60MHz等頻點(diǎn))附近的干擾值也比較集中。
提取數(shù)據(jù)得到10 MHz時(shí)峰值點(diǎn)為9.999MHz(62.643dBμV)，20 MHz 時(shí)的峰值點(diǎn)為20.002MHz(61.692dBμV)，77MHz時(shí)的峰值點(diǎn)為19.264MHz(48.049dBμV)以及77.042MHz(47.316dBμV)。可以看出，77MHz時(shí)干擾強(qiáng)度和密度反而要弱于20MHz，可能是由于77MHz是MCU工作的極限時(shí)鐘，此時(shí)工作性能受到一定影響，導(dǎo)致測(cè)試的結(jié)果有所不同。
③由于汽車電子MCU的工作時(shí)鐘可以選擇外部晶振或者內(nèi)部PLL倍頻，所以要對(duì)兩種情況分別測(cè)試，以便比較是否有差別。運(yùn)行ADC程序后的測(cè)試結(jié)果如圖11所示。
圖11 PLL vs.外部晶振(10MHz)
從圖11中可以看出，在頻譜范圍內(nèi)各個(gè)峰值點(diǎn)的分布大致相同，整個(gè)頻譜范圍內(nèi)沒有明顯差異，MCU通過外部晶振或PLL倍頻兩種方式測(cè)得的結(jié)果基本一致，時(shí)鐘源選擇上不會(huì)對(duì)芯片的電磁干擾強(qiáng)度帶來(lái)影響。
3.3 150Ω測(cè)試
(1)設(shè)備裝置連接同1Ω測(cè)試法的步驟①;
(2)根據(jù)芯片電源類型，電源分為4路，分別是VDD1(數(shù)字IO 供電的5V 電源信號(hào))、VDD2(為ADC和PLL供電的LDO 的5V 電壓)、VDD3(數(shù)字邏輯LDO的5V電壓輸入)和VDD4(Flash的5V電壓輸入)。可單獨(dú)對(duì)每一路電源的干擾噪聲進(jìn)行捕捉，連接方式與1Ω 測(cè)試法步驟②相同，如圖12所示;
圖12 VDD連接150Ω網(wǎng)絡(luò)145
(3)根據(jù)汽車電子MCU應(yīng)用特點(diǎn)，選取最為典型的PWM、CAN 程序，為了方便以后對(duì)眾多引腳進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，將P0、P1、P2(P3未涉及到外設(shè)功能復(fù)用)端口共24個(gè)引腳進(jìn)行了開關(guān)控制，再通過150Ω耦合網(wǎng)絡(luò)連接到EMI接收機(jī)，圖13是P0端口的電路原理圖，P1和P2的原理圖同P0。
圖13 IO-P0連接150Ω網(wǎng)絡(luò)
(4)重復(fù)測(cè)試多次，得到較多測(cè)試樣本，經(jīng)過整理，下面是各個(gè)測(cè)試情況的說(shuō)明。
①?gòu)碾娫炊丝诮Y(jié)果來(lái)看，區(qū)別很小，下面以VDD1為例進(jìn)行分析說(shuō)明。VDD1測(cè)試選取了ADC和counter(數(shù)字計(jì)數(shù)器)的程序，以比較不同類別的程序?qū)?shù)字供電是否有影響，測(cè)試結(jié)果如圖14、圖15所示。
在10MHz和20MHz時(shí)鐘上對(duì)比，ADC最高峰值分別為35.827dBμV、43.517dBμV;counter的最高峰值為35.899dBμV、43.271dBμV。可以得出頻率越高，干擾強(qiáng)度越大。但就兩類程序橫向?qū)Ρ葋?lái)看，結(jié)果基本上一致。另外還發(fā)現(xiàn)60~300MHz和550~650MHz兩處集中的干擾頻譜，可見電源處的干擾在高頻附近比較明顯。
②PWM 功能測(cè)試
雙通道模式下，在不同占空比和周期大小情況下，測(cè)試對(duì)應(yīng)P口引腳處傳導(dǎo)發(fā)射強(qiáng)度的大小，測(cè)試結(jié)果如圖16、圖17所示。
從圖16中的干擾密度可看出時(shí)鐘對(duì)電磁干擾影響程度。在圖17中，由于period和duty較長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果相差不大，此時(shí)時(shí)鐘頻率變成次要因素，主要因素取決于輸出引腳處高低電平變化周期長(zhǎng)短。
③CAN功能測(cè)試
運(yùn)行Loopback(回路模式)程序，在不同時(shí)鐘頻率下進(jìn)行比較，測(cè)試結(jié)果如圖18、圖19所示。
從圖16~19中觀察，隨著時(shí)鐘頻率變大，TX和RX端口的傳導(dǎo)輻射強(qiáng)度也變大。對(duì)于RX端口，10/40MHz頻點(diǎn)附近的干擾密度比較大，且在40MHz時(shí)候現(xiàn)象更明顯，捕捉到連續(xù)三個(gè)頻點(diǎn)(圖18右側(cè)標(biāo)注)，分別是39.060 MHz(71.063dBμV)、39.360MHz(67.447dBμV)、40.020MHz(39.171dBμV)，兩個(gè)時(shí)鐘下的峰值都在70~85dBμV 之間，但一般都在10MHz以下，應(yīng)該是受低頻某一頻點(diǎn)的影響較明顯。
對(duì)于TX端口，10/40MHz頻點(diǎn)附近的干擾密度沒有RX明顯，峰值也都在70~85dBμV 之間，且發(fā)生在10MHz以下，和RX的特點(diǎn)大致相同。
4 測(cè)試結(jié)果分析
從測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可以總結(jié)出以下幾點(diǎn):
①在時(shí)鐘頻率上，從10 MHz到40 MHz、77MHz，干擾強(qiáng)度或是密度在整體上都會(huì)增加，可以是一小段頻譜或者是整個(gè)頻譜范圍內(nèi)，這與測(cè)試對(duì)象關(guān)系比較大。分析原因不難發(fā)現(xiàn)，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，會(huì)重疊起來(lái)進(jìn)而增大輻射的幅值。
②在程序燒寫方式上，外部晶振或PLL倍頻兩種方式測(cè)得的結(jié)果基本一致，整個(gè)頻譜范圍內(nèi)沒有明顯差異，時(shí)鐘源選擇上不會(huì)對(duì)芯片的電磁干擾強(qiáng)度帶來(lái)影響。
③從VDD1測(cè)試結(jié)果來(lái)看，除了得出頻率越高，干擾強(qiáng)度越大之外，還發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)干擾的頻譜范圍分別在60~300MHz和550~650MHz兩處，可見電源處的干擾在高頻附近比較明顯。
④對(duì)于PWM 功能，通過配置輸出波形周期和占空比大小，會(huì)導(dǎo)致在不同時(shí)鐘下產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度有所差異。由于雙通道模式下寄存器為16bit(原單通道模式為8bit)，此時(shí)周期和占空比可配置的數(shù)值變大，PWM 波輸出引腳處的高低電平翻轉(zhuǎn)周期就取決于周期和占空比的設(shè)置，與時(shí)鐘的關(guān)系變得沒有之前如此緊密，時(shí)鐘變成了次要因素。由此建議在滿足功能要求的前提下，使用PWM 功能時(shí)盡量將周期和占空比數(shù)值變得大一些，這樣會(huì)較好地改進(jìn)EMC性能;
⑤對(duì)于CAN 總線來(lái)講，通過10 MHz和40MHz時(shí)鐘對(duì)比，當(dāng)合理地降低時(shí)鐘工作頻率，會(huì)使一大段頻譜范圍內(nèi)的干擾值降低，從整體上較好的控制EMI帶來(lái)的影響。
5 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)于微電子行業(yè)來(lái)說(shuō)，芯片級(jí)電磁兼容性的設(shè)計(jì)與測(cè)試已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的主題。實(shí)際上，如果不對(duì)集成電路電磁輻射及抗擾度方面進(jìn)行深入的研究，就很難滿足電子設(shè)備電磁兼容性方面的需要。本文通過對(duì)設(shè)計(jì)方法的引入，并進(jìn)一步通過測(cè)試方案去總結(jié)歸納影響電磁發(fā)射的因素和原因，從而間接證明了設(shè)計(jì)方法的必要性和重要性。
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