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測試與測量  

符合車用EMC/EMI要求的設計技巧

上網時間: 2015年11月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EMC  EMI  DS90UB914A-Q1  串列器  DS90UB913A-Q1 

作者:Mark Sauerwald,TI車用連接與乙太網路應用工程師

汽車產業與各家汽車製造商都必須符合多種電磁兼容性(EMC)要求,例如,其中有兩項要求在於確保電子系統不至於產生過多電磁干擾(EMI)或雜訊,同時也不受其他系統產生的雜訊影響。本文重點介紹這一部份的要求,並提供多項設計技巧,確保設備設計符合EMC/EMI要求。

車用EMC要求概述

CISPR 25標準內含多項測試方法與建議限制,以評估即將安裝在車內的零組件輻射排放量。除了CISPR 25提供的內容,多數車廠亦自訂標準,以補充CISPR 25指南,CISPR 25測試的主要目的在於確保零組件安裝後,也不會干擾車內其他系統。

CISPR 25要求測試時,室內電磁雜訊值必須比實測的最低值更低6dB,在這項測試的雜訊值要求最低為18dB(μV/m),而環境值需在12dB(μV/m)以下,相當於一般AM電台距天線一公里的磁場強度。

在當今的環境中,滿足這項要求的唯一方法是使用經過特殊設計及興建的空間,才能確保測試環境不受外在磁場影響。測試實驗室一般皆有固定規格,由於必須保護測試空間不受室內產生的訊號反射干擾,因此測試室在選用牆面材質時,必須著重於不反射電磁波(圖1)的要求。測試實驗室造價不斐,通常以每小時租用計。為了節省成本,最好能在設計階段先評估EMC/EMI議題,以便一次測試就成功。

另一項測試標準為ISO 11452-4大電流注入(BCI)測試序列,可驗證零組件是否受到窄頻電磁場影響,過程中使用電流探棒,將干擾訊號直接導入電路。


圖1:一般測試室使用特殊錐型磚避免反射

成功實現EMC測試的設計技巧

保持較小迴路:磁場成形後,由傳導材料形成的迴路可做為天線,將磁場轉換為流經迴路的電流,電流強度與封閉迴路區域大小成正比,因此要盡量避免迴路產生,所需封閉區域也愈小愈好。若有差分資料訊號,就可能在差分線路的發送器與接收器之間出現迴路。

若兩項子系統共用電路(如顯示器與驅動顯示器的引擎控制單元),也很容易出現迴路。汽車底盤內含共同接地(GND),連接顯示器與系統的引擎控制單元(ECU),當視訊訊號以自有接地電路連結至顯示器,就會在接地平面內產生大型迴路。這種情況有時無法避免,若是在接地連線內增加電感或磁珠,雖然DC迴路仍會存在,但以射頻(RF)輻射而言,迴路已經破壞。

此外,只要訊號送至雙絞線電纜,每組差分驅動器/接收器就會形成迴路,通常因為雙絞線耦合緊密,這個迴路會在電路上佔據一小塊區域,但只要訊號抵達電路板,應維持緊密耦合,以避免擴大迴路範圍。

旁路電容不可或缺:CMOS電路頗受歡迎,部份原因在於其高速及功率耗散極低,理想情況下,CMOS電路只有在改變狀態以及節點電容需要充電或放電時,才會消耗功率。以供電而言,CMOS電路平均若需要10mA,在時脈轉換階段的電流需求以倍數計,而在週期之間的需求則很低,因此,輻射限制途徑著重於電壓與電流峰值,而非平均值。

時脈轉換過程中,從電源到晶片電源針腳的電流突增即為輻射一大來源。若在每個電源針腳旁安裝旁路電容,晶片在時脈邊緣所需的電流將直接取自電容,而電容內的電荷則趁著週期之間使用較低、較穩定的電流累積。較大電容適合供應高電流突增,但對超高速需求則常反應不及;超小型電容能迅速因應需求,但總充電量有限,很快就會耗盡。對多數電路而言,最佳解決方案為並用不同尺寸的電容,例如1-μF與0.01-μF的電容,將較小型電容緊靠著晶片的電源針腳,而較大型電容可距離較遠。

良好阻抗降低EMI:當高速訊號通過傳輸線,遇上特性阻抗改變時,部份訊號會反射回源頭,其餘維持原有方向不變。反射也就導致輻射,為了達到低EMI,必須採用優良的高速設計。有關傳輸線電源的設計資訊眾多,以下提供幾項設計傳輸線的建議要點:

•在接地平面與訊號走線之間存在訊號,若任一方受到干擾,輻射就會產生,故需注意接地平面斷流器,或是訊號走線以下不連貫問題。

•避免訊號走線出現銳角,圓弧遠優於直角。

•FPD-Link訊號通常會經過零組件,例如電源供應纜線、電源連接點、AC耦合電容等,為減少零組件反射率,建議使用0402尺寸的小型零組件,並設定走線寬度與0402零組件相同;此外,還必須藉由控制堆疊裡的電介質厚度設定走線的特性阻抗。

(下一頁繼續:更多EMC測試的設計技巧)


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