汽车电子MCU的抗EMI设计与测试方案

在测试时，需要在进行测试的电路中接入串联电阻为1Ω的电流探针(探针即为1Ω测试网络，已经集成在EMC测试板的芯片地端与PCB地平面之间)，49Ω串联放置为了形成50Ω匹配，用接收机测量射频电流流经该电阻时产生的射频电压，所测得的电压应为所有流回到集成电路的射频电流在电流探头上产生电压的总和，测得的电压值可以换算为流过探针的电流，测试环境图如图1所示。

图1 1Ω测试环境

在150Ω测试中，集成电路的引脚通过标准规定的匹配网络接到测试接收机，通过150Ω探针(探针即为150Ω测试网络，已经集成在EMC测试板上)可以测量SSN在输入输出端口和电源两类引脚上的传导干扰，通过计算可以将接收机测量的电压转换为噪声电压幅值，测试环境图如图2所示。

图2 150Ω测试环境

下面是针对EMI进行的1Ω和150Ω测试步骤，包括测试前准备工作以及测试数据分析等。

3.1 测试前装备工作

①环境温度

本次实验集中在晚间进行，现场温度控制在23±2℃范围内，符合标准要求。

②环境噪声电平

将DUT(被测设备)固定在实验台上且为断电状态，用EMI接收机测量残留噪声。本次实验环境噪声电平在可接受的测试要求内，详情请参看图6。

③其他环境条件

所有其他可能影响测试结果的环境条件，例如环境湿度。本次实验所测得的相对湿度为45%RH左右。

④确认工作状态

给DUT供电并检查确认IC处于正常的工作状态，同时在实验时保持周围的测试条件不变。

3.2 1Ω测试

(1)将SMA连接线一端连接到测试板，另一端连接到接收机(安捷伦N9030，内置N141A电磁兼容测试软件)，将EMI接收机的测量频率范围设置为150kHz到1GHz，根据标准对测试操作的要求，分成150kHz~30MHz(RBW 为9kHz)和30MHz~1GHz(RBW 为120kHz)两段。下面测试图中绿色边框范围内的是150kHz~30MHz，范围外的是30MHz~1GHz。

结合汽车电子MCU 端口特性以及标准要求，将接地端口与1Ω网络相连，再与SMA口相接，引入EMI接收机进行监控，原理图如图3、图4所示。

图3 芯片的地网络引脚

图4 1Ω网络

(2)选取可能影响EMC特性的因素，在时钟上分别测试10MHz、20MHz以及77MHz频率下电磁干扰大小数值，在测试功能上选取模数转换程序ADC;

(3)测量每一段频谱内可能出现的干扰，提取各个谐波的包络值，接收机的电压可以换算为流过探针的电流。测试仪器以及EMC测试板如图5所示;

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，

②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

图7、图8、图9分别是10MHz、20MHz和77MHz的测试图，图10是整理后的数据。通过对比可以得出，频谱大致集中在100MHz以内，在对应工作时钟的主频点处干扰值最大，10MHz、20MHz情况下在相应倍频点(如40MHz、60MHz等频点)附近的干扰值也比较集中。

提取数据得到10 MHz时峰值点为9.999MHz(62.643dBμV)，20 MHz 时的峰值点为20.002MHz(61.692dBμV)，77MHz时的峰值点为19.264MHz(48.049dBμV)以及77.042MHz(47.316dBμV)。可以看出，77MHz时干扰强度和密度反而要弱于20MHz，可能是由于77MHz是MCU工作的极限时钟，此时工作性能受到一定影响，导致测试的结果有所不同。

③由于汽车电子MCU的工作时钟可以选择外部晶振或者内部PLL倍频，所以要对两种情况分别测试，以便比较是否有差别。运行ADC程序后的测试结果如图11所示。

图11 PLL vs.外部晶振(10MHz)

从图11中可以看出，在频谱范围内各个峰值点的分布大致相同，整个频谱范围内没有明显差异，MCU通过外部晶振或PLL倍频两种方式测得的结果基本一致，时钟源选择上不会对芯片的电磁干扰强度带来影响。

3.3 150Ω测试

(1)设备装置连接同1Ω测试法的步骤①;

(2)根据芯片电源类型，电源分为4