借助EMI掃描驗證芯片設計，縮短上市時(shí)間

汽車(chē)廠(chǎng)商往往采用最新的消費電子系統來(lái)體現與其他廠(chǎng)商汽車(chē)的差異化，該系統必須在各種苛刻的條件下都能正常工作。動(dòng)力系統、安全系統和其它汽車(chē)控制系統也都有同樣的要求，一旦出現故障，這些系統會(huì )導致更加嚴重的后果。

汽車(chē)電子系統對于供應商提供的芯片和印制電路板的電磁輻射特別敏感。因此，SAE(原汽車(chē)工程師協(xié)會(huì ))已經(jīng)定義測試規范并建立滿(mǎn)足電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)的需求，并對其進(jìn)行了不斷的完善。采用極近場(chǎng)EM掃描技術(shù)，供應商的設計團隊可以通過(guò)一個(gè)桌面系統來(lái)計量并立即顯示輻射的空間和頻譜特性，避免以后在更高費用的模塊、系統或整車(chē)級測試中出現問(wèn)題。

本文討論幾個(gè)能夠展示這種測試價(jià)值的例子。第一個(gè)例子是關(guān)于“擴頻時(shí)鐘發(fā)生器(SSCG)”的輻射特性，分別在“關(guān)”和“開(kāi)”的狀況下對其掃描。在第二個(gè)例子中，設計團隊對比了第二代半雙工串行解串器(串行器/解串器)系統與第三代全雙工系統。結果驗證了新一代功能及其優(yōu)勢，不但幫助客戶(hù)縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，并在客戶(hù)中產(chǎn)生了積極的影響。

極近場(chǎng)EMI掃描技術(shù)

快速磁性極近場(chǎng)測量?jì)x器可以捕獲和顯示頻譜和實(shí)時(shí)空間掃描結果的可視圖像。芯片廠(chǎng)商和PCB設計工程師可以?huà)呙枞魏我粔K電路板，并識別出50kHz至4GHz頻率范圍內的恒定或時(shí)基的輻射源。這種掃描技術(shù)有助于快速解決廣泛的電磁設計問(wèn)題，包括濾波、屏蔽、共模、電流分布、抗干擾性和寬帶噪聲。

在任何新PCB的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設計工程師都必須找出設計之外的輻射體或射頻泄漏，并對其進(jìn)行描述和處理以通過(guò)一致性測試?？赡艿妮椛潴w包括高速、大功率器件以及具有高密度或高復雜度的器件。掃描系統以疊加在Gerber文件上的形式顯示空間輻射特性，因此測試人員可以準確地找出所有輻射問(wèn)題的來(lái)源。設計工程師可以在采取了相應的解決措施之后，對器件進(jìn)行重新測試并立即量化出校正設計后的效果。

掃描系統由一個(gè)掃描儀、小型適配器、一個(gè)客戶(hù)提供的頻譜分析儀和運行掃描系統軟件的PC組成。臺式掃描儀包括2,436條回路，可產(chǎn)生1,218個(gè)間隔為7.5mm的磁場(chǎng)探針，形成一個(gè)電子開(kāi)關(guān)陣列并提供高達3.75mm的分辨率。系統工作頻率范圍為50kHz至4GHz，通過(guò)可選的軟件密鑰啟用。

這樣，用戶(hù)就可以自行對設計進(jìn)行測試，而不必依賴(lài)另外一個(gè)部門(mén)、測試工程師或進(jìn)行耗時(shí)的場(chǎng)外測試。工程師甚至可以在診斷一個(gè)間歇故障之后，對設計進(jìn)行更改，很快再進(jìn)行測試。測試的結果可以對設計更改的影響進(jìn)行精確的驗證。

借助掃描系統，電路板設計工程師可以預先測試和解決電磁兼容問(wèn)題，從而避免產(chǎn)生非預期的一致性測試結果。掃描儀的診斷功能可以幫助設計團隊將輻射測試時(shí)間縮短兩個(gè)數量級以上。

EMI近場(chǎng)輻射特性：SSCG示例

某一大型半導體廠(chǎng)商在解串器的并行總線(xiàn)上實(shí)現了SSCG功能。SSCG功能能夠通過(guò)將輻射峰值能量擴展到更寬的頻帶上來(lái)減少輻射。如下面的圖1所示，頻率變化發(fā)生在額定時(shí)鐘中心頻率(中心擴頻調制)附近，擴展的頻譜為正或負1.0%(fdev)。在接收器并行總線(xiàn)端，輸出以千赫茲(fmod)的調制速率隨時(shí)間調制時(shí)鐘頻率和數據頻譜。定制的串行解串器芯片組的目標客戶(hù)是要求所安裝電子設備具有低EMI輻射特性的汽車(chē)廠(chǎng)商。

圖1：擴頻時(shí)鐘功能。

該公司期望用令人信服的量化證據來(lái)向汽車(chē)廠(chǎng)商說(shuō)明SSCG功能可以有效降低EMI輻射。為了實(shí)現這個(gè)目標，設計團隊首先在SSCG功能為“關(guān)”的情況下將待測器件(DUT)放其內部掃描儀上，加電，然后在PC中捕獲輻射特性。為了進(jìn)行有效的對比，在打開(kāi)SSCG功能的情況下，對同一待測器件進(jìn)行了掃描。

極近場(chǎng)掃描系統完成了空間和頻譜掃描后顯示并生成了以下輻射特性圖。需注意的是，掃描結果疊加在Gerber設計文件上，因此這樣對結果進(jìn)行分析可以立即確定待測器件中的具體輻射體。圖2顯示了SSCG功能為“關(guān)”時(shí)待測器件的輻射特性。

圖2：SSCG功能為“關(guān)”時(shí)測得的EMI輻射特性。

圖3為SSCG功能為“開(kāi)”時(shí)待測設備輻射的空間和頻譜(幅度與頻率)特性。通過(guò)對比，可以發(fā)現輻射已經(jīng)顯著(zhù)減少。

圖3：SSCG功能為“開(kāi)”時(shí)的EMI輻射特性 。

對測試結果進(jìn)行比較之后，設計團隊發(fā)現由于使用了SSCG功能導致電磁輻射顯著(zhù)減少。汽車(chē)電子工程師最大的挑戰在于減少EMI輻射?？蛻?hù)支持團隊每次向汽車(chē)廠(chǎng)商客戶(hù)展示這些結果時(shí)，他們普遍都表現出了極大的興趣。任何降低EMI的功能(此案例中為SSCG功能)都可以縮短上市時(shí)間、降低屏蔽和成本支出。

EMI近場(chǎng)輻射特性：新一代串行解串器例子

這是同一家半導體供應商的第二個(gè)例子，該公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)通過(guò)串行解串器進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)傳輸的第二代芯片組解決方案。在第三代芯片組中，設計團隊采用了一種不同的技術(shù)并升級了傳輸能力。他們將雙向控制通道一起嵌入高速串行鏈路中，從而實(shí)現了雙向傳輸(全雙工)。

為了量化比較半雙工解串器與新一代全雙工設計的輻射特性，設計團隊再次使用了內部的EMI極近場(chǎng)掃描儀。他們將原來(lái)的半雙工板放在掃描儀上，進(jìn)行基線(xiàn)測量。對待測器件加電后，他們在PC上激活了掃描儀。(參見(jiàn)圖4)

圖4：半雙工和全雙工串行解串器器件的EMI掃描的測試環(huán)境。

采用同樣的測試設置，設計團隊用新一代全雙工芯片組板替代了基線(xiàn)板，同時(shí)也針對每一條特性保持了同樣的規格。如上文所述，需注意的是，空間掃描疊加在每次生成的Gerber設計文件上，以幫助工程師可以確定任何存在的輻射源。