EMI/EMC就绪型SerDes—基本测试策略和指南

电磁干扰 （EMI） 和电磁兼容性 （EMC） 测试是汽车应用中串行器/解串器 （SerDes） 器件设计验证的重要组成部分。EMI和EMC必须在设计周期的早期考虑，以防止不必要的设计修改。以下应用笔记详细介绍了有关如何准备SerDes系统进行EMI/EMC测试的有用基本概念和指南。

介绍

LCD视频显示器在汽车应用中变得越来越普遍。坚固的设计、小尺寸和低成本使其成为安全、导航和信息娱乐系统的理想选择。LCD 显示器是数字的，每个像素都使用离散的数字值运行。由于驱动这些显示器的媒体/图形源通常也是数字的，因此数字链路是将视频源与显示器连接的最简单和最高性能的方法。此视频链路的数字通道必须提供高带宽。例如，640 x 480 像素的彩色显示器以 30fps（每秒帧数）的速度运行。每个红色、绿色和蓝色像素只有 6 位分辨率，相应的数据速率为 640 x 480 x 30 x 18 = 166Mbps。实际传输速度必须快一点，因为正常运行需要消隐时间。许多显示器具有更多的像素和/或每比特更多的像素，从而迅速提高此比特率。然后，串行器/解串器（SerDes）芯片组获取并行数字数据并将其串行化以进行传输。有些器件，如MAX9209串行器，将红色、绿色和蓝色数据分开，导致三种原色各有一个串行通道，时钟各有一个通道。其它器件，如MAX9247串行器，将这些数据组合成一个串行通道，并带有嵌入式时钟信号。这两种方法都显著提高了传输的基频。虽然频率的增加会导致问题，但很容易为串行信号提供适当的屏蔽和阻抗匹配的传输介质。

电磁干扰测试

EMI测试在汽车应用中是必要的，以确保选定的系统不会损坏它们周围的其他系统。对辐射发射和传导发射进行测试。辐射发射测试主要利用天线并检查系统通过自由空间辐射到其他系统的能力。设计不当的SerDes系统可能无法满足EMI规范。相比之下，传导辐射测试主要使用系统电源线上的电压和电流探头完成。由于SerDes系统很少直接连接到电源线，因此传导辐射很少成为问题。

电磁兼容测试

与EMI测试类似，汽车应用中的EMC测试是为了确保系统不会被其他外围系统损坏。由于当今汽车中有大量的电子系统，所有这些系统都具有宽频谱的电流、阻抗和工作频率，这一点非常重要。用于EMC测试的大电流注入（BCI）对被测系统来说特别粗糙。尽管BCI测试规范和方法因汽车制造商而异，但它们通常涉及从几MHz到1GHz频率的强大外部场。

像素时钟频率选择

正确的像素时钟选择会对EMI产生重大影响。与任何高速数字设备一样，SerDes视频链路在时钟频率的整数谐波下辐射可检测的EMI水平。在汽车应用中，EMI辐射的极限随频率而变化。许多汽车制造商在特定频段上规定了相当严格的限制。例如，433MHz是用于遥控无钥匙进入（RKE）的频率，通常是EMI规范中最严格的区域之一。考虑到像素时钟频率为33MHz的系统，13次谐波位于429MHz，这可能会导致433MHz RKE频段的干扰。选择略低的32.7MHz频率可将13次谐波移至425MHz，从而产生更舒适的频率裕量。

线路板电磁干扰/电磁兼容测试的常用要素

将任何IC接地都是一项重要的设计实践。然而，对于SerDes系统来说，它是至关重要的。所有接地引脚必须具有低阻抗，并连接到实心接地层。不建议将PCB分成多个平面。PCB元件侧的铜浇注平面，加上紧靠下方的连续铜平面，是标准做法。使顶部铜浇注远离匹配的阻抗走线。保持差分对的走线到走线间距至少 3 倍是一种好方法。

考虑每个接地连接使用多个过孔。过孔的寄生电感是导致非理想行为的重要因素。接地过孔加倍可降低电感，从而提高性能。

绕过任何 IC 通常都很重要，但对于 SerDes 系统来说，这一点非常重要。与接地建议类似，电源引脚必须看到来自电源的低交流阻抗。对于低压差分信号 （LVDS） 线路、I/O 电源引脚和用于锁相环 （PLL） 电路的电源引脚尤其如此。建议每个引脚使用两个旁路电容。这两个电容器的值通常相差 10 倍至 100 倍（例如，0.1μF 和 1nF）。最小的电容应最靠近它必须去耦/旁路的电源引脚。

考虑在SerDes系统的电源引脚上使用铁氧体磁珠。同样，这对于LVDS线路、I/O电源引脚和PLL电源引脚特别实用，但这可以应用于任何电源引脚。铁氧体磁珠可减少高频能量的进出。选择峰值阻抗为100Ω至600Ω且额定电流至少为100mA的铁氧体磁珠。

图1所示为使用MAX9247串行器的PCB布局特写。感兴趣的组件是FB4，C6和C5，它们排列在一列中，其丝网印刷参考标志位于相应组件轮廓的右侧。图1底部是MAX9247的一角。FB4的右侧端子通过过孔连接到嵌入式接地层。FB4的左端向下连接C6和C5，然后连接到MAX9247的引脚27，即串行器的V中联会电源节点。请注意，连接FB4、C5和C6的走线保持宽，以实现较低的电感。为了满足MAX9247的引脚间距，该走线变窄，因此在C5和MAX9247之间使用一个小的铜多边形，以保持走线尽可能宽，但又尽可能靠近串行器。此外，C5和C6的接地表明每个电容器都有自己的接地层通孔（每个组件的右侧）。顶部铜层充斥着地，提供从C6和C5到MAX9247引脚26的直接低电感路径，引脚26是串行器的PLLGND。

特定于序列化程序的建议

防止串行器辐射EMI需要一些基本概念。通常，串行器对EMC测试不是特别敏感;但是，其输出需要具有恒定阻抗的平衡传输对。大多数串行器IC针对100Ω阻抗进行了优化。如果由设计中的不可更改元素决定，则接近此范围的其他值是可以接受的。如果串行器输出离开盒子并进入汽车的线束，则这些输出必须承受电池短路。最简单的解决方案是用一个 0.1μF 电容器对每个输出进行交流耦合。然而，为此，需要直流平衡串行器，如MAX9209、MAX9217或MAX9247。也可以使用非直流平衡器件，但系统设计必须确保从外部提供所需的偏置电压，这通常不是一种实用的方法。最后，串行器输出端通常在串行器离开PCB之前包含一个共模扼流圈。这提供了一定的保护，防止串流器组件发出的共模噪声。然而，共模扼流圈通常只能提供非常小的改进，并且不应在其插入损耗（标称值为1dB）可能损害链路可靠性的情况下使用。

图1.推荐MAX9247串行器的旁路和接地细节。

特定于反序列化程序的建议

与串行器一样，防止解串器辐射EMI需要测试/设计工程师遵循一些基本概念和指南。保护解串器组件免受EMC事件的影响还需要审查一些基本概念，因为解串器可能容易受到EMC的影响，并且还可能辐射EMI。

共模扼流圈通常包含在解串器的输入端，靠近差分信号进入PCB的位置。共模扼流圈有助于最大限度地减少共模噪声的拾取。共模扼流圈在系统选择的工作频率下必须具有低差分插入损耗。解串器输入需要具有恒定阻抗的平衡传输对。大多数解串器器件针对100Ω阻抗进行了优化，但如果由设计中的不可更改元件决定，则接近此范围的其他值是可以接受的。

如果解串器输入需要交流耦合，则可以在共模扼流圈之后完成。同样，这些电容仅用于直流平衡解串器，如MAX9236和MAX9248。差分对要求端接到尽可能靠近接收器侧IC的100Ω差分阻抗。虽然差分阻抗保持在100Ω，但共模阻抗也必须保持较低水平。可以使用戴维南端接系统，也可以使用一对50Ω电阻与中间节点串联到地。这两种方法如图 2 所示。使用一对50Ω电阻是EMI/EMC测试的首选方法，因为：

它允许IC设置自己的直流偏置，

它不注入 V抄送噪声进入终端，以及

它不消耗任何功率。

图2.正确LVDS端接的方法（左：戴维宁配置;右：串行50Ω电阻配置）。

连接器和线束

SerDes系统中使用的连接器和电缆被认为是系统的关键部分，它们对EMI和EMC测试的影响是巨大的。汽车应用中的常见做法是，PCB插座和电缆连接器通常来自链路两侧的单一制造商。连接器必须保持恒定的阻抗，并提供屏蔽接口以优化性能。此外，它们必须只允许单个插入极性和正向锁定，以保证可制造性和可靠性。

电缆也必须提供恒定的阻抗，其线束需要重屏蔽以防止辐射。如果使用多对电缆，则每对电缆都需要单独的屏蔽。无处不在的 CAT5 电缆通常不足以用于汽车 SerDes。

许多制造商都提供连接器和电缆系统。

在某些系统中，连接器的屏蔽仅在链路的一侧接地，另一侧通过电容器（通常为0.1μF）接地。这种耦合可防止由于接地电位的差异而导致电缆屏蔽层中的直流电流流动。

其他电磁干扰源

SerDes视频链路中的另一个EMI源是解串器的输出。这些输出是具有相对高速边沿的CMOS逻辑电平。如果CMOS逻辑输出未正确屏蔽，它们也会引起EMI辐射。降低LCD面板逻辑信号EMI的好方法是使用采用扩频技术的解串器，如MAX9242、MAX9244、MAX9246、MAX9248或MAX9250。 这些解串器提供多种工作模式、数据宽度和工作频率，以满足大多数系统要求。

审核编辑：郭婷