车载电子设备不可或缺的EMC/EMI

　　汽车产业与各家汽车制造商都必须符合多种电磁兼容性（EMC）要求，例如，其中有两项要求在于确保电子系统不至于产生过多电磁干扰（EMI）或噪声，同时也不受其他系统产生的噪声影响。本文重点介绍这一部份的要求，并提供多项设计技巧，确保设备设计符合EMC/EMI要求。

　　车用EMC要求概述

　　CISPR 25标准内含多项测试方法与建议限制，以评估即将安装在车内的零组件辐射排放量。除了CISPR25提供的内容，多数车厂亦自定义标准，以补充CISPR 25指南，CISPR 25测试的主要目的在于确保零组件安装后，也不会干扰车内其他系统。CISPR 25要求测试时，室内电磁噪声值必须比实测的最低值更低6dB，在这项测试的噪声值要求最低为18dB（μV/m），而环境值需在12dB（μV/m）以下，相当于一般AM电台距天线一公里的磁场强度。

　　在当今的环境中，满足这项要求的唯一方法是使用经过特殊设计及兴建的空间，才能确保测试环境不受外在磁场影响。测试实验室一般皆有固定规格，由于必须保护测 试空间不受室内产生的信号反射干扰，因此测试室在选用墙面材质时，必须着重于不反射电磁波的要求。测试实验室造价不斐，通常以每小时租用计。为了 节省成本，最好能在设计时间先评估EMC/EMI议题，以便一次测试就成功。

　　另一项测试标准为ISO 11452-4大电流注入（BCI）测试序列，可验证零组件是否受到窄频电磁场影响，过程中使用电流探棒，将干扰信号直接导入电路。

　　成功实现EMC测试的设计技巧

　　保持较小回路：磁场成形后，由传导材料形成的回路可做为天线，将磁场转换为流经回路的电流，电流强度与封闭回路区域大小成正比，因此要尽量避免回路产生，所需封闭区域也愈小愈好。若有差分数据讯号，就可能在差分线路的发送器与接收器之间出现回路。

　　若两项子系统共享电路（如显示器与驱动显示器的引擎控制单元），也很容易出现回路。汽车底盘内含共同接地（GND），连接显示器与系统的引擎控制单元 （ECU），当视频信号以自有接地电路链接至显示器，就会在接地平面内产生大型回路。这种情况有时无法避免，若是在接地联机内增加电感或磁珠，虽然DC回 路仍会存在，但以射频（RF）辐射而言，回路已经破坏。

　　此外，只要讯号送至双绞线电缆，每组差分驱动器/接收器就会形成回路，通常因为双绞线耦合紧密，这个回路会在电路上占据一小块区域，但只要讯号抵达电路板，应维持紧密耦合，以避免扩大回路范围。

　　旁路电容不可或缺：CMOS电路颇受欢迎，部份原因在于其高速及功率耗散极低，理想情况下，CMOS电路只有在改变状态以及节点电容需要充电或放电时，才会消耗功率。以供电而言，CMOS电路平均若需要10mA，在频率转换阶段的电流需求以倍数计，而在周期之间的需求则很低，因此，辐射限制途径着重于电压与电流峰值，而非平均值。

　　频率转换过程中，从电源到芯片电源针脚的电流突增即为辐射一大来源。若在每个电源针脚旁安装旁路电容，芯片在频率边缘所需的电流将直接取自电容，而电容内的电荷则趁着周期之间使用较低、较稳定的电流累积。较大电容适合供应高电流突增，但对超高速需求则常反应不及；超小型电容能迅速因应需求，但总充电量有限， 很快就会耗尽。对多数电路而言，最佳解决方案为并用不同尺寸的电容，例如1-μF与0.01-μF的电容，将较小型电容紧靠着芯片的电源针脚，而较大型电容可距离较远。

　　良好阻抗降低EMI：当高速讯号通过传输线，遇上特性阻抗改变时，部份讯号会反射回源头，其余维持原有方向不变。反射也就导致辐射，为了达到低EMI，必须采用优良的高速设计。有关传输线电源的设计信息众多，以下提供几项设计传输线的建议要点：

　　1在接地平面与讯号走线之间存在讯号，若任一方受到干扰，辐射就会产生，故需注意接地平面断流器，或是讯号走线以下不连贯问题。

　　2避免讯号走线出现锐角，圆弧远优于直角。

　　4FPD-Link讯号通常会经过零组件，例如电源供应缆线、电源连接点、AC耦合电容等，为减少零组件反射率，建议使用0402尺寸的小型零组件，并设定走线宽度与0402零组件相同；此外，还必须通过控制堆栈里的电介质厚度设定走线的特性阻抗。

　　屏蔽保护：理想的屏蔽方法并没有什么快捷方式，但必须以尽可能降低辐射为目标，在可能引发问题的电路周围实施保护措施。虽然它仍可能辐射能量，但理想的屏蔽方式能够在辐射散逸出来以前加以撷取并导向接地，图2说明遮蔽如何控制EMI。

　　屏蔽形式不一，可以将系统封锁在传导箱中，或是以金属材质量身订做，焊接在辐射源头外围。

　　切勿过快：设计人员常会担心时间误差，因此选择最快逻辑组件来缩小时间误差，但超快逻辑组件的脉冲边缘陡峭，且频率非常高，往往会产生EMI。若想减少系统EMI量， 可选择符合时间需求的低速逻辑组件，或者许多FPGA可降低驱动强度，借此降低边缘速率。有时亦可使用逻辑电路上的串联电阻，减低系统讯号内的转换速率。

　　接地电路短：电流进入芯片后都会流出，本文介绍的几项设计技巧中，和芯片连接距离都很近，例如旁路电容接近芯片、回路愈小愈好等，但设计人员常忘记接地电流路径必须回到 源头。在理想情况下，电路板有一层专用于接地，与GND的路径也该和取道相去不远。但在有些电路板的配置中，接地平面设有断流器，会迫使接地电流从芯片返 回电源时选用较长路径，而GND电流使用这条路径时，也会如天线般传送或接收噪声。

　　供电线电感：前面曾说明利用旁路电容抵销电流突增的冲击，这在供电线上的电感功能也是相同的。在电源在线设置电感或铁氧磁珠后，强制与电源线相连的电路自旁路电容汲取电源，而非直接向电源取电，从而满足其动态功率需求。

　　开关电源输入限制：为了解决EMI问题，必须尽可能降低dv/dt与di/dt，DC/DC转换器看似完全无害，但它其实无法直接从DC转换至DC，而是从DC至AC再转换至DC，在转换期间，AC就可能产生EMI问题。

　　车用设计人员常担心AM无线电频段会造成干扰，车辆大多数均配备AM无线电，这种高增益放大器相当敏感，可调谐频率范围介于500kHz至1.5MHz之 间，若组件在此频率内发送讯号，就可能在AM无线电中听见。许多开关电源的频率都位于此频段中，可能对汽车应用造成问题，故多数车用开关换电源均使用高于 此频段以上的切换频率——通常是超过2MHz，若开关电源的输入或输出过滤不足，部份噪声就可能进入对基频或次谐波频率敏感的子系统。

　　注意共振：电感与电容经常用于避免可能发生EMI的dv/dt及di/dt问题，但电感与电容也可能造成自共振，不过，通过增加电阻与电感并联，吸收振荡产生的能量，可避免引发问题。另一种潜在问题来自串联电感（独立组件或电源线的寄生电感）连接至具有旁路电容的组件，由此形成的L-C电路可能在共振频率中振荡，同样地，这项问题也可藉由增设与电感并联的电阻加以解决。

　　展频频率降低峰值辐射：在FPD-Link串行/解串行器（SerDes）等组件中，数据总线与频率通常具备展频频率选项，在展频频率中，频率讯号经过调变，导致频率与数据讯号的边缘涵盖的频段更加广泛，由于EMI规格可限制频段内任何频率的峰值辐射，因而扩大频段覆盖范围有助于降低噪声峰值。

　　DS90UB914A-Q1解串行器即为一例，它通常搭配DS90UB913A-Q1串行器使用，在先进驾驶辅助（ADAS）系统的摄影机与处理器之间建立视讯链接，解串行器将摄影机的影像传感器频率送至串行器，并输出频率与数据供处理器使用。高速频率内同时转换的10至12条高速资源电路，即为EMI的一大主要来源，为了降低此EMI，DS90UB914A可在输入数据内使用展频频率，而非影像传感器提供的低抖动频率，该展频频率透过解串行器的缓存器进行控制。

　　当今的汽车除了娱乐及舒适功能外，许多重要运作也仰赖电子设备，更需要确保运作不因干扰出错，以及不至于干扰车内的其他系统。工程师可遵循文中介绍的诀窍与技巧，并慎选适当组件，即可设计出更稳健的系统，确保车用系统不受EMI问题干扰，从而更加可靠地运作。