1 引言
随着集成电路集成度的提高，越来越多的元件集成到芯片上，电路功能变得复杂，工作电压也在降低。当一个或多个电路里产生的信号或噪声与同一个芯片内另一个电路的运行彼此干扰时，就产生了芯片内的EMC问题，最为常见的就是SSN（Simultaneous Switch Noise，同时开关噪声）和Crosstalk（串音），它们都会给芯片正常工作带来影响。由于集成电路通过高速脉冲数字信号进行工作，工作频率越高产生的电磁干扰频谱越宽，越容易引起对外辐射的电磁兼容方面问题。基于以上情况，集成电路本身的电磁干扰（EMI）与抗扰度（EMS）问题已成为集成电路设计与制造关注的课题。
集成电路电磁兼容不仅涉及集成电路电磁干扰与抗扰度的设计和测试方法，而且有必要与集成电路的应用相结合。针对汽车电子领域来讲，将对整车级、零部件级的电磁兼容要求强制性标准，结合到集成电路的设计中，才能使电路更易于设计出符合标准的最终产品。作为电子控制系统里面最为关键的单元——微控制器（MCU），其EMC性能的好坏直接影响各个模块与系统的控制功能。
本文在汽车电子MCU 中采用抗EMI的设计方法，依据IEC61967传导测试标准，对汽车电子MCU进行电磁干扰的测试。
2 汽车电子MCU设计方法
下面介绍在汽车电子MCU中使用的可行性设计方法以及其他几种抗EMI设计技术。
2.1 时钟电路设计
由于时钟电路产生的时钟信号一般都是周期信号，其频谱是离散的，离散谱的能量集中在有限的频率上。又由于系统中各个部分的时钟信号通常由同一时钟分频、倍频得到，它们的谱线之间也是倍频关系，重叠起来进而增大辐射的幅值，因此说时钟电路是一个非常大的污染源。
针对汽车电子MCU 数字前端设计，在抗EMI方面采用门控时钟的方法改进。任何时钟在不需要时都应关闭，减低工作时钟引起的电磁发射问题。根据A8128（汽车电子MCU的型号）芯片系统功能设计要求，采用Run、Idle、Stop和Debug四种工作模式，在每一种工作模式下针对系统时钟、外设模块时钟进行适当门控。此外，还有几种在时钟方面常见的抗EMI的设计方法，包括：
①降低工作频率
MCU的工作时钟应该设定为满足性能要求所需的最低频率。从下面的测试结果可以看出，一个MCU的运行频率由80MHz变为10MHz，可以使频谱宽频范围内的干扰峰值产生几十dBμV 的衰减，而且能够有效的降低功耗。
②异步设计
异步电路工作没有锁定一个固有频率，电磁辐射大范围均匀分布而不会集中在特定的窄带频谱中。这一关键本质特征决定了即使异步电路使用大量的有源门电路，它所产生的电磁发射也要比同步电路小。
③扩展频谱
扩展频谱时钟是一项能够减小辐射测量值的技术，这种技术对时钟频率进行1%~2%的调制，扩散谐波分量，在CISPR16或FCC发射测试中峰值较低，但这并非真正减小瞬时发射功率。因此，对一些快速反应设备仍可能产生同样的干扰。扩展频谱时钟不能应用于要求严格的时间通信网络中，比如FDD、以太网、光纤等。
2.2 IO端口设计
在汽车电子MCU 的输入输出端口设计中，也加入了抗EMI方案，包括翻转速率（slew rate control）和驱动强度（drive strength）控制方法。通过在所有通用P口引入可配置的翻转速率和驱动强度寄存器，在需要的时候打开相应功能。翻转速率有打开和关闭两种选择，打开后能够有效地平缓上升沿或者下降沿，降低瞬态电流，进而控制芯片产生的电磁干扰强度。驱动强度有强驱动电流和弱驱动电流两种选择，在能够满足工作驱动强度的情况下，选择弱电流驱动会更好的控制电磁干扰现象。
另外，基于GSMC 180nm工艺库，选择具有施密特触发特性的IO，可以有效地平缓输入信号中带进来的尖峰或者噪声信号等，对芯片的电磁抗扰度有所帮助。
图5 实际测试环境
（4）在对每个频率点测试的时候要进行多次测量，以便排除偶然因素的干扰。下面是各个测试情况的说明;
①时钟采用外部晶振10MHz，烧录SRAM 中的程序为ADC。图6左侧为未上电时的环境噪声信号，右侧为上电但未运行程序的测量结果。
图6 断电vs.上电
通过对比可以得出上电之后在整个频谱范围内干扰强度变大，时钟的固定周期将使电磁辐射集中在时钟基波和谐波附近很窄的频谱范围内。根据傅里叶级数展开公式可以得出，在时钟倍频处的频点其干扰值也越大，所以在10MHz、20MHz等倍频点处的现象更明显，为了进一步对比，运行ADC程序，分别在 10MHz、20MHz以及77MHz时钟下进行测试，比较不同时钟接地引脚总干扰电流大小，测试结果如图7、图8、图9所示。
图7 10MHz—ADC测试图
图8 20MHz—ADC测试图
图9 77MHz—ADC测试图
图10 10/20/77MHz—ADC测试数据整理
③CAN功能测试
运行Loopback（回路模式）程序，在不同时钟频率下进行比较，测试结果如图18、图19所示。
从图16~19中观察，随着时钟频率变大，TX和RX端口的传导辐射强度也变大。对于RX端口，10/40MHz频点附近的干扰密度比较大，且在 40MHz时候现象更明显，捕捉到连续三个频点（图18右侧标注），分别是39.060 MHz（71.063dBμV）、39.360MHz（67.447dBμV）、40.020MHz（39.171dBμV），两个时钟下的峰值都在 70~85dBμV 之间，但一般都在10MHz以下，应该是受低频某一频点的影响较明显。
对于TX端口，10/40MHz频点附近的干扰密度没有RX明显，峰值也都在70~85dBμV 之间，且发生在10MHz以下，和RX的特点大致相同。
4 测试结果分析
从测试数据结果可以总结出以下几点：
①在时钟频率上，从10 MHz到40 MHz、77MHz，干扰强度或是密度在整体上都会增加，可以是一小段频谱或者是整个频谱范围内，这与测试对象关系比较大。分析原因不难发现，由于时钟电路产生的时钟信号一般都是周期信号，其频谱是离散的，离散谱的能量集中在有限的频率上，又由于系统中各个部分的时钟信号通常由同一时钟分频、倍频得到，它们的谱线之间也是倍频关系，会重叠起来进而增大辐射的幅值。
②在程序烧写方式上，外部晶振或PLL倍频两种方式测得的结果基本一致，整个频谱范围内没有明显差异，时钟源选择上不会对芯片的电磁干扰强度带来影响。
③从VDD1测试结果来看，除了得出频率越高，干扰强度越大之外，还发现出现干扰的频谱范围分别在60~300MHz和550~650MHz两处，可见电源处的干扰在高频附近比较明显。
④对于PWM 功能，通过配置输出波形周期和占空比大小，会导致在不同时钟下产生的电磁干扰强度有所差异。由于双通道模式下寄存器为16bit（原单通道模式为 8bit），此时周期和占空比可配置的数值变大，PWM 波输出引脚处的高低电平翻转周期就取决于周期和占空比的设置，与时钟的关系变得没有之前如此紧密，时钟变成了次要因素。由此建议在满足功能要求的前提下，使用PWM 功能时尽量将周期和占空比数值变得大一些，这样会较好地改进EMC性能;
⑤对于CAN 总线来讲，通过10 MHz和40MHz时钟对比，当合理地降低时钟工作频率，会使一大段频谱范围内的干扰值降低，从整体上较好的控制EMI带来的影响。
5 结束语
对于微电子行业来说，芯片级电磁兼容性的设计与测试已经成为一个非常重要的主题。实际上，如果不对集成电路电磁辐射及抗扰度方面进行深入的研究，就很难满足电子设备电磁兼容性方面的需要。本文通过对设计方法的引入，并进一步通过测试方案去总结归纳影响电磁发射的因素和原因，从而间接证明了设计方法的必要性和重要性。 | 
