汽車電子處于一個充滿噪聲的環(huán)境，因此汽車電子必須具有優(yōu)秀的電磁兼容(EMC)性能,。而汽車電子的EMC設(shè)計中最主要的是微處理器的設(shè)計,，作者將結(jié)合實際設(shè)計經(jīng)驗，分析噪聲的產(chǎn)生機理并提出消除噪聲的方法,。
 
汽車電子常常工作環(huán)境很惡劣：環(huán)境溫度范圍為－40oC到125oC,；振動和沖擊經(jīng)常發(fā)生；有很多噪聲源,，如刮水器電動機,、燃油泵、火花點火線圈,、空調(diào)起動器,、交流發(fā)電機線纜連接的間歇切斷，以及某些無線電子設(shè)備,，如手機和尋呼機等,。
 
汽車設(shè)計中一般都有一個高度集成的微控制器，該控制器用來完成大量的計算并實現(xiàn)有關(guān)車輛運行的控制,，包括引擎管理和制動控制等,。汽車電子設(shè)計不僅需要在這種噪聲環(huán)境中實現(xiàn)對MCU的保護，同時也必須規(guī)范MCU模塊設(shè)計,，確保MCU模塊發(fā)射的噪聲滿足相關(guān)的規(guī)范,。
 
在概念上，電磁兼容性(EMC)包含系統(tǒng)本身對噪聲的敏感性以及噪聲發(fā)射兩個部分,。噪聲可以通過電磁場的方式傳播從而產(chǎn)生輻射干擾,，也可以通過芯片上或者芯片外的寄生效應(yīng)傳導。
 
在大多數(shù)汽車控制系統(tǒng)設(shè)計中,，EMC變得越來越重要,。如果設(shè)計的系統(tǒng)不干擾其它系統(tǒng)，也不受其它系統(tǒng)發(fā)射影響,，并且不會干擾系統(tǒng)自身,，那么所設(shè)計的系統(tǒng)就是電磁兼容的。
 
在美國出售的任何電子設(shè)備和系統(tǒng)都必須符合聯(lián)邦通訊委員會(FCC)制定的EMC標準,，而美國主要的汽車制造商也都有自己的一套測試規(guī)范來制約其供應(yīng)商,。其它的汽車公司通常也都有各自的要求，如：
 
SAE J1113(汽車器件電磁敏感性測試程序)給出了汽車器件推薦的測試級別以及測試程序,。
 
SAE J 1338則提供關(guān)于整個汽車電磁敏感性如何測試的相關(guān)信息,。
 
SAE J1752/3和IEC 61967的第二和第四部分是專用于IC發(fā)射測試的兩個標準,。
 
歐洲也有自己的標準，歐盟EMC指導規(guī)范89/336/EEC于1996年開始生效,，從此歐洲汽車工業(yè)引入了一個新的EMC指導標準(95/54/EEC),。
 
檢查汽車對于電磁輻射的敏感性，應(yīng)該確保整個汽車在20到1000MHz的90％帶寬范圍內(nèi)參考電平限制在24V/米的均方根值以內(nèi),，在整個帶寬范圍以內(nèi)的均方根值在20V/米以內(nèi),。在測試過程中要試驗駕駛員對方向盤、制動以及引擎速度的直接控制,，而且不允許產(chǎn)生可能導致路面上任何其他人混淆的異常,，或者駕駛員對汽車直接控制的異常。
 
由于芯片幾何尺寸不斷減小,，以及時鐘速度的不斷增加都會導致器件發(fā)射超過500MHz的時鐘諧波,，因此EMC設(shè)計非常重要。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),，時鐘頻率為200MHz。
 
此外,，產(chǎn)品成本的要求迫使生產(chǎn)商設(shè)計電路板時不使用地層并盡可能減少器件數(shù)量,，汽車設(shè)計工程師將面對非常嚴格的設(shè)計約束挑戰(zhàn)。設(shè)計的電子系統(tǒng)必須高度可靠,，即使一百萬輛汽車中有一輛存在一個簡單的故障都是不允許的,。沒有考慮EMC設(shè)計而召回所有汽車的事實證明這種做法不僅損失巨大，而且影響汽車廠商的聲譽,。
 
在電磁兼容設(shè)計中,，“受害方”的概念通常指那些由于設(shè)計缺乏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免持鑰匙入車
(Keyless-Entry)模塊中的寬帶接收器或者是車庫門開啟裝置接收器，由于接收到MCU發(fā)出的足夠強的噪聲,，這些模塊中的接收器會誤認為接收到了一個遙控信號,。
 
汽車收音機通常也是受害部件：MCU可能產(chǎn)生大量的FM波段諧波，嚴重降低聲音質(zhì)量,。分布在汽車中的其它模塊也可能受到類似的影響,，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)生足夠強的噪聲對文本和語音進行干擾,，那么無繩電話和尋呼機也容易受到干擾,。
 
EMC設(shè)計
 
很多EMC設(shè)計技術(shù)都可以應(yīng)用到電路板和SoC設(shè)計中。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)。當然,，SoC設(shè)計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，信號將產(chǎn)生反射并且導致電壓振鈴現(xiàn)象,，因而降低噪聲容限,，增加信號串擾并通過容性耦合對外產(chǎn)生信號發(fā)射干擾。IC上的傳輸線尺寸通常非常小,，因此不會發(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)生這種問題,，最常用的解決辦法是使用串聯(lián)終結(jié)器,。
 
在SoC設(shè)計中，噪聲主要通過寄生電阻和電容來傳導,，而不是以電磁場的方式輻射,。CMOS芯片通過一種外延工藝實現(xiàn)極低電阻基底的方法來增強抗閉鎖的能力，而基底的底側(cè)為基底噪聲提供了一種有效的傳導路徑,，使得很難將噪聲源同敏感節(jié)點在電氣上分隔開來,。
 
許多并行的p＋基底觸點(contact)為阻性耦合噪聲提供了一個低阻抗路徑。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)(見圖1)。
 
單個pn結(jié)電容非常小,，在一個VLSI的SoC設(shè)計中并行的電容總和通常是幾個納法,，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電容。這種技術(shù)還消除了進入基底的瞬時負電流而導致的體效應(yīng)(body effect),。體效應(yīng)會增加耗盡區(qū),，并導致晶體管的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。對模擬電路設(shè)計來說,，體效應(yīng)通過改變偏置電流和信號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。對數(shù)字電路,，采用單一的阱最理想,，可以降低芯片面積。通過認真的設(shè)計可以對體效應(yīng)進行補償,。
 
基底噪聲的另一個來源是碰撞離化(impact-ionization)電流,，該噪聲跟工藝技術(shù)有關(guān)，當NMOS晶體管達到夾斷(pinch-off
)電壓時就會出現(xiàn)這種情況,。碰撞離化會在基底產(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1GHz,，因此必須考慮趨膚效應(yīng),。趨膚效應(yīng)是指導體上隨著深度的增加感應(yīng)系數(shù)增大，在導體的中心位置達到最大值,。趨膚效應(yīng)會導致片上信號的衰減以及信號在芯片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,，該尺寸遠遠小于某些基底允許的最小機械厚度,，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)點同步開關(guān)產(chǎn)生的電源和地線上的電流,；輸出管腳信號的變換,；振蕩器工作產(chǎn)生的噪聲；開關(guān)電容負載產(chǎn)生的片上信號假象,。
 
許多設(shè)計方法可以降低同步開關(guān)噪聲(SSN),。穿透電流是SSN的一個主要來源，所有的時鐘驅(qū)動器,、總線驅(qū)動器以及輸出管腳驅(qū)動器都可能受到這種效應(yīng)的影響,。這種效應(yīng)發(fā)生在互補類型的反相器中，輸出狀態(tài)發(fā)生變化時p溝道晶體管和n溝道晶體管瞬間同時導通,。確保在互補晶體管導通之前關(guān)斷另一個晶體管就可以實現(xiàn)穿透電流最小,，在大電流驅(qū)動器的設(shè)計中，這可能要求一個前置驅(qū)動器來控制該節(jié)點信號的轉(zhuǎn)換率,。
 
切斷不需要使用模塊的時鐘也可以降低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也會產(chǎn)生輻射干擾,，瞬間的電源和地電流會通過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,，就會產(chǎn)生信號發(fā)射,。而環(huán)路中的寄生電感會產(chǎn)生電壓降，將進一步產(chǎn)生共模輻射干擾,。
 
共模輻射電場E的強度由下面等式計算：
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)計中頻率由特定的應(yīng)用需求來確定，不可能降低,，因此SoC設(shè)計工程師必須認真考慮如何通過降低Iw或l來降低電場強度,。
 
處理好時鐘域也能降低SSN。許多優(yōu)秀的SoC設(shè)計都是同步電路,，這樣容易在時鐘上下沿處產(chǎn)生很大的峰值電流,。將時鐘驅(qū)動器分布在整個芯片中，而不是采用一個大的驅(qū)動器,，這樣可以使瞬態(tài)電流分布開,。另外一種可能的辦法是確保時鐘不互相重疊。當然必須小心避免由于時序不匹配而產(chǎn)生競爭,。更重要的是,，時鐘信號應(yīng)該在遠離敏感的I/O邏輯信號，特別是模擬電路,。
 
當前的復(fù)雜嵌入式MCU有許多輸出信號,，大多數(shù)輸出信號都必須能夠快速地響應(yīng)電容負載。這些信號包括時鐘,、數(shù)據(jù),、地址和高頻串行通信信號。對內(nèi)部節(jié)點來說,，穿透電流和容性負載都會產(chǎn)生噪聲,。應(yīng)用同樣的技術(shù)處理內(nèi)部節(jié)點可以解決輸出管腳驅(qū)動器電路噪聲問題。另外,，管腳上信號的快速變換會產(chǎn)生反射引起的輸出信號線上的信號振鈴和串擾,。
 
將這種類型的噪聲源減到最小有許多解決方案。輸出驅(qū)動器可以設(shè)計成驅(qū)動強度可以控制,，并且可以增加信號轉(zhuǎn)換速率控制電路來限制di/dt,。由于大多數(shù)器件測試設(shè)備同最終應(yīng)用相比,，測試節(jié)點電容更高，所以通常更愿意指定一個固定值來實現(xiàn)驅(qū)動強度的控制,。例如,，假定MPC5XX系列的MCU微控制器芯片的CLKOUT滿驅(qū)動強度是一個90pF的負載，并且是專為測試目的而設(shè)定,。除了因為時序而考慮滿驅(qū)動強度外,，最好使用降低的驅(qū)動強度。
 
上面介紹的技術(shù)對于降低噪聲有積極的作用,，由于瞬態(tài)電流包絡(luò)延長,，平均的電流實際上會增加。在芯片上實現(xiàn)一個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驅(qū)動低阻抗的外部負載(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減少電源管腳來彌補,，由于這種實現(xiàn)方式有效地降低了片上瞬態(tài)電流,，因而輸出驅(qū)動器通過電源基本上維持一個恒定的直流電流，而傳統(tǒng)驅(qū)動器中的瞬態(tài)電流則會在電容性負載上產(chǎn)生大的電壓擺幅,。