汽車(chē)電子處于一個(gè)充滿(mǎn)噪聲的環(huán)境,，因此汽車(chē)電子必須具有優(yōu)秀的電磁兼容(EMC)性能,。而汽車(chē)電子的EMC設(shè)計(jì)中最主要的是微處理器的設(shè)計(jì),，作者將結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),，分析噪聲的產(chǎn)生機(jī)理并提出消除噪聲的方法,。
 
汽車(chē)電子常常工作環(huán)境很惡劣：環(huán)境溫度范圍為－40oC到125oC；振動(dòng)和沖擊經(jīng)常發(fā)生,；有很多噪聲源,，如刮水器電動(dòng)機(jī)、燃油泵,、火花點(diǎn)火線圈,、空調(diào)起動(dòng)器、交流發(fā)電機(jī)線纜連接的間歇切斷,，以及某些無(wú)線電子設(shè)備,，如手機(jī)和尋呼機(jī)等。
 
汽車(chē)設(shè)計(jì)中一般都有一個(gè)高度集成的微控制器,，該控制器用來(lái)完成大量的計(jì)算并實(shí)現(xiàn)有關(guān)車(chē)輛運(yùn)行的控制,，包括引擎管理和制動(dòng)控制等。汽車(chē)電子設(shè)計(jì)不僅需要在這種噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)MCU的保護(hù),，同時(shí)也必須規(guī)范MCU模塊設(shè)計(jì),，確保MCU模塊發(fā)射的噪聲滿(mǎn)足相關(guān)的規(guī)范。
 
在概念上,，電磁兼容性(EMC)包含系統(tǒng)本身對(duì)噪聲的敏感性以及噪聲發(fā)射兩個(gè)部分,。噪聲可以通過(guò)電磁場(chǎng)的方式傳播從而產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過(guò)芯片上或者芯片外的寄生效應(yīng)傳導(dǎo),。
 
在大多數(shù)汽車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，EMC變得越來(lái)越重要。如果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不干擾其它系統(tǒng),，也不受其它系統(tǒng)發(fā)射影響,，并且不會(huì)干擾系統(tǒng)自身,，那么所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是電磁兼容的,。
 
在美國(guó)出售的任何電子設(shè)備和系統(tǒng)都必須符合聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)制定的EMC標(biāo)準(zhǔn),，而美國(guó)主要的汽車(chē)制造商也都有自己的一套測(cè)試規(guī)范來(lái)制約其供應(yīng)商。其它的汽車(chē)公司通常也都有各自的要求,，如：
 
SAE J1113(汽車(chē)器件電磁敏感性測(cè)試程序)給出了汽車(chē)器件推薦的測(cè)試級(jí)別以及測(cè)試程序,。
 
SAE J 1338則提供關(guān)于整個(gè)汽車(chē)電磁敏感性如何測(cè)試的相關(guān)信息。
 
SAE J1752/3和IEC 61967的第二和第四部分是專(zhuān)用于IC發(fā)射測(cè)試的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),。
 
歐洲也有自己的標(biāo)準(zhǔn),，歐盟EMC指導(dǎo)規(guī)范89/336/EEC于1996年開(kāi)始生效，從此歐洲汽車(chē)工業(yè)引入了一個(gè)新的EMC指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)(95/54/EEC),。
 
檢查汽車(chē)對(duì)于電磁輻射的敏感性,，應(yīng)該確保整個(gè)汽車(chē)在20到1000MHz的90％帶寬范圍內(nèi)參考電平限制在24V/米的均方根值以?xún)?nèi)，在整個(gè)帶寬范圍以?xún)?nèi)的均方根值在20V/米以?xún)?nèi),。在測(cè)試過(guò)程中要試驗(yàn)駕駛員對(duì)方向盤(pán),、制動(dòng)以及引擎速度的直接控制，而且不允許產(chǎn)生可能導(dǎo)致路面上任何其他人混淆的異常,，或者駕駛員對(duì)汽車(chē)直接控制的異常,。
 
由于芯片幾何尺寸不斷減小，以及時(shí)鐘速度的不斷增加都會(huì)導(dǎo)致器件發(fā)射超過(guò)500MHz的時(shí)鐘諧波,，因此EMC設(shè)計(jì)非常重要,。如摩托羅拉公司最新基于e500架構(gòu)的微控制器MPC5500系列，該芯片采用0.1微米工藝技術(shù),，時(shí)鐘頻率為200MHz,。
 
此外，產(chǎn)品成本的要求迫使生產(chǎn)商設(shè)計(jì)電路板時(shí)不使用地層并盡可能減少器件數(shù)量,，汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師將面對(duì)非常嚴(yán)格的設(shè)計(jì)約束挑戰(zhàn),。設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)必須高度可靠，即使一百萬(wàn)輛汽車(chē)中有一輛存在一個(gè)簡(jiǎn)單的故障都是不允許的,。沒(méi)有考慮EMC設(shè)計(jì)而召回所有汽車(chē)的事實(shí)證明這種做法不僅損失巨大,，而且影響汽車(chē)廠商的聲譽(yù)。
 
在電磁兼容設(shè)計(jì)中,，“受害方”的概念通常指那些由于設(shè)計(jì)缺乏EMC考慮而受到影響的部件,。受害部件可能在基于MCU的PCB或者模塊的內(nèi)部，也可能是外部系統(tǒng),。通常的受害部件是汽車(chē)免持鑰匙入車(chē)
(Keyless-Entry)模塊中的寬帶接收器或者是車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟裝置接收器,，由于接收到MCU發(fā)出的足夠強(qiáng)的噪聲，這些模塊中的接收器會(huì)誤認(rèn)為接收到了一個(gè)遙控信號(hào),。
 
汽車(chē)收音機(jī)通常也是受害部件：MCU可能產(chǎn)生大量的FM波段諧波,，嚴(yán)重降低聲音質(zhì)量。分布在汽車(chē)中的其它模塊也可能受到類(lèi)似的影響,，基于MCU的模塊產(chǎn)生的發(fā)射噪聲經(jīng)由線纜傳播出去,，如果MCU產(chǎn)生足夠強(qiáng)的噪聲對(duì)文本和語(yǔ)音進(jìn)行干擾,，那么無(wú)繩電話和尋呼機(jī)也容易受到干擾。
 
EMC設(shè)計(jì)
 
很多EMC設(shè)計(jì)技術(shù)都可以應(yīng)用到電路板和SoC設(shè)計(jì)中,。最具共性的部分就是傳輸線效應(yīng),，以及布線和電源分布網(wǎng)絡(luò)上的寄生電阻、電容和電感效應(yīng),。當(dāng)然,，SoC設(shè)計(jì)中存在許多與芯片自身相關(guān)的技術(shù)，涉及基底材料,、器件幾何尺寸和封裝等,。
 
首先了解傳輸線效應(yīng)。如果發(fā)送器和接收器之間存在阻抗不匹配,，信號(hào)將產(chǎn)生反射并且導(dǎo)致電壓振鈴現(xiàn)象,，因而降低噪聲容限，增加信號(hào)串?dāng)_并通過(guò)容性耦合對(duì)外產(chǎn)生信號(hào)發(fā)射干擾,。IC上的傳輸線尺寸通常非常小,，因此不會(huì)發(fā)射噪聲或者受到輻射噪聲的影響，而電路板上的傳輸線尺寸通常比較大,，容易產(chǎn)生這種問(wèn)題,，最常用的解決辦法是使用串聯(lián)終結(jié)器。
 
在SoC設(shè)計(jì)中,，噪聲主要通過(guò)寄生電阻和電容來(lái)傳導(dǎo),，而不是以電磁場(chǎng)的方式輻射。CMOS芯片通過(guò)一種外延工藝實(shí)現(xiàn)極低電阻基底的方法來(lái)增強(qiáng)抗閉鎖的能力,，而基底的底側(cè)為基底噪聲提供了一種有效的傳導(dǎo)路徑,，使得很難將噪聲源同敏感節(jié)點(diǎn)在電氣上分隔開(kāi)來(lái)。
 
許多并行的p＋基底觸點(diǎn)(contact)為阻性耦合噪聲提供了一個(gè)低阻抗路徑,。在n阱和p溝道晶體管p基底的側(cè)壁以及底部之間會(huì)形成寄生電容,，因而產(chǎn)生容性耦合噪聲，并且在n溝道晶體管的基底和源區(qū)之間形成pn結(jié)(見(jiàn)圖1),。
 
單個(gè)pn結(jié)電容非常小,，在一個(gè)VLSI的SoC設(shè)計(jì)中并行的電容總和通常是幾個(gè)納法，在連接到電源網(wǎng)絡(luò)之前將源區(qū)和基底直接連接可以短路掉這個(gè)電容,。這種技術(shù)還消除了進(jìn)入基底的瞬時(shí)負(fù)電流而導(dǎo)致的體效應(yīng)(body effect),。體效應(yīng)會(huì)增加耗盡區(qū)，并導(dǎo)致晶體管的Vt變高,。同樣的技術(shù)也可以應(yīng)用于n阱p溝道晶體管,，以減小容性耦合噪聲。
 
                                     

 
然而，包含層疊晶體管的數(shù)字電路或者模擬電路通常都需要隔離源區(qū),。在這種情況下,，增加Vss到基底或者Vdd到基底的電容能夠降低噪聲瞬態(tài)值。對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),，體效應(yīng)通過(guò)改變偏置電流和信號(hào)帶寬降低了電路性能,，因此需要使用其它解決辦法,，如阱隔離,。對(duì)數(shù)字電路，采用單一的阱最理想,，可以降低芯片面積,。通過(guò)認(rèn)真的設(shè)計(jì)可以對(duì)體效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。
 
基底噪聲的另一個(gè)來(lái)源是碰撞離化(impact-ionization)電流,，該噪聲跟工藝技術(shù)有關(guān),，當(dāng)NMOS晶體管達(dá)到夾斷(pinch-off
)電壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。碰撞離化會(huì)在基底產(chǎn)生空穴電流(正的瞬間電流),。
 
通常,，基底噪聲的頻率范圍可能高達(dá)1GHz，因此必須考慮趨膚效應(yīng),。趨膚效應(yīng)是指導(dǎo)體上隨著深度的增加感應(yīng)系數(shù)增大,，在導(dǎo)體的中心位置達(dá)到最大值。趨膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致片上信號(hào)的衰減以及信號(hào)在芯片p＋基底層的失真,。為最大程度減小趨膚效應(yīng),，要求基底厚度小于150微米，該尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于某些基底允許的最小機(jī)械厚度,，然而更薄的基底更易碎,。
 
噪聲源
 
微控制器內(nèi)部存在四種主要的噪聲源：內(nèi)部總線和節(jié)點(diǎn)同步開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電源和地線上的電流；輸出管腳信號(hào)的變換,；振蕩器工作產(chǎn)生的噪聲,；開(kāi)關(guān)電容負(fù)載產(chǎn)生的片上信號(hào)假象。
 
許多設(shè)計(jì)方法可以降低同步開(kāi)關(guān)噪聲(SSN),。穿透電流是SSN的一個(gè)主要來(lái)源,，所有的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器、總線驅(qū)動(dòng)器以及輸出管腳驅(qū)動(dòng)器都可能受到這種效應(yīng)的影響,。這種效應(yīng)發(fā)生在互補(bǔ)類(lèi)型的反相器中,，輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)p溝道晶體管和n溝道晶體管瞬間同時(shí)導(dǎo)通。確保在互補(bǔ)晶體管導(dǎo)通之前關(guān)斷另一個(gè)晶體管就可以實(shí)現(xiàn)穿透電流最小,，在大電流驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中,，這可能要求一個(gè)前置驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制該節(jié)點(diǎn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換率。
 
切斷不需要使用模塊的時(shí)鐘也可以降低SSN,。很明顯,，該技術(shù)同具體應(yīng)用十分相關(guān),，應(yīng)用該技術(shù)可以提高EMC性能。在類(lèi)似摩托羅拉的MPC555和565這樣高度集成的微控制器芯片中,，所有芯片的外圍模塊都具有這樣的功能,。
 
SSN也會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，瞬間的電源和地電流會(huì)通過(guò)器件管腳流向外部的去耦電容,。如果該電路(包括邦定線,、封裝引線以及PCB線)形成的環(huán)路足夠大，就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)發(fā)射,。而環(huán)路中的寄生電感會(huì)產(chǎn)生電壓降,，將進(jìn)一步產(chǎn)生共模輻射干擾。
 
共模輻射電場(chǎng)E的強(qiáng)度由下面等式計(jì)算：
E = 1.26 x 10-6 Iw f l/d
E = 1.26 x 10-6 Iw f l/d
 
這里E的單位是伏特/米,，Iw的單位是安培,，f是單位為赫茲，l是路徑長(zhǎng)度,，d是到該路徑的距離,，l和d的單位都是米。復(fù)雜設(shè)計(jì)中頻率由特定的應(yīng)用需求來(lái)確定,，不可能降低,，因此SoC設(shè)計(jì)工程師必須認(rèn)真考慮如何通過(guò)降低Iw或l來(lái)降低電場(chǎng)強(qiáng)度。
 
處理好時(shí)鐘域也能降低SSN,。許多優(yōu)秀的SoC設(shè)計(jì)都是同步電路,，這樣容易在時(shí)鐘上下沿處產(chǎn)生很大的峰值電流。將時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器分布在整個(gè)芯片中,，而不是采用一個(gè)大的驅(qū)動(dòng)器,，這樣可以使瞬態(tài)電流分布開(kāi)。另外一種可能的辦法是確保時(shí)鐘不互相重疊,。當(dāng)然必須小心避免由于時(shí)序不匹配而產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng),。更重要的是，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該在遠(yuǎn)離敏感的I/O邏輯信號(hào),，特別是模擬電路,。
 
當(dāng)前的復(fù)雜嵌入式MCU有許多輸出信號(hào)，大多數(shù)輸出信號(hào)都必須能夠快速地響應(yīng)電容負(fù)載,。這些信號(hào)包括時(shí)鐘,、數(shù)據(jù)、地址和高頻串行通信信號(hào),。對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō),，穿透電流和容性負(fù)載都會(huì)產(chǎn)生噪聲。應(yīng)用同樣的技術(shù)處理內(nèi)部節(jié)點(diǎn)可以解決輸出管腳驅(qū)動(dòng)器電路噪聲問(wèn)題。另外,，管腳上信號(hào)的快速變換會(huì)產(chǎn)生反射引起的輸出信號(hào)線上的信號(hào)振鈴和串?dāng)_,。
 
將這種類(lèi)型的噪聲源減到最小有許多解決方案。輸出驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可以控制,，并且可以增加信號(hào)轉(zhuǎn)換速率控制電路來(lái)限制di/dt,。由于大多數(shù)器件測(cè)試設(shè)備同最終應(yīng)用相比，測(cè)試節(jié)點(diǎn)電容更高,，所以通常更愿意指定一個(gè)固定值來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的控制,。例如，假定MPC5XX系列的MCU微控制器芯片的CLKOUT滿(mǎn)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度是一個(gè)90pF的負(fù)載,，并且是專(zhuān)為測(cè)試目的而設(shè)定,。除了因?yàn)闀r(shí)序而考慮滿(mǎn)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度外,，最好使用降低的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度,。
 
上面介紹的技術(shù)對(duì)于降低噪聲有積極的作用，由于瞬態(tài)電流包絡(luò)延長(zhǎng),，平均的電流實(shí)際上會(huì)增加,。在芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)LVDS物理層也可以減小由于輸出管腳上大的瞬態(tài)電流產(chǎn)生的噪聲，這種方式依靠差模電流源來(lái)驅(qū)動(dòng)低阻抗的外部負(fù)載(圖2),。電壓的擺幅限制在±300mV范圍內(nèi),。
 
支持這種技術(shù)所需增加的管腳可以通過(guò)減少電源管腳來(lái)彌補(bǔ)，由于這種實(shí)現(xiàn)方式有效地降低了片上瞬態(tài)電流,，因而輸出驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電源基本上維持一個(gè)恒定的直流電流,，而傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器中的瞬態(tài)電流則會(huì)在電容性負(fù)載上產(chǎn)生大的電壓擺幅。