汽车电子系统的极近场EMI扫描技术

中心议题：
    *  测试扩频时钟发生器的辐射特性
    *  对比半双工串行解串器系统与全双工系统
解决方案：
    *  极近场EMI扫描技术

汽车厂商往往采用最新的消费电子系统来体现与其他厂商汽车的差异化，该系统必须在各种苛刻的条件下都能正常工作。动力系统、安全系统和其它汽车控制系统也都有同样的要求，一旦出现故障，这些系统会导致更加严重的后果。

汽车电子系统对于供应商提供的芯片和印制电路板的电磁辐射特别敏感。因此，SAE（原汽车工程师协会）已经定义测试规范并建立满足电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EMI）的需求，并对其进行了不断的完善。采用极近场EM扫描技术，供应商的设计团队可以通过一个桌面系统来计量并立即显示辐射的空间和频谱特性，避免以后在更高费用的模块、系统或整车级测试中出现问题。

本文讨论几个能够展示这种测试价值的例子。第一个例子是关于“扩频时钟发生器（SSCG）”的辐射特性，分别在“关”和“开”的状况下对其扫描。在第二个例子中，设计团队对比了第二代半双工串行解串器（串行器/解串器）系统与第三代全双工系统。结果验证了新一代功能及其优势，不但帮助客户缩短了产品上市时间，并在客户中产生了积极的影响。

极近场EMI扫描技术

快速磁性极近场测量仪器可以捕获和显示频谱和实时空间扫描结果的可视图像。芯片厂商和PCB设计工程师可以扫描任何一块电路板，并识别出50kHz至4GHz频率范围内的恒定或时基的辐射源。这种扫描技术有助于快速解决广泛的电磁设计问题，包括滤波、屏蔽、共模、电流分布、抗干扰性和宽带噪声。

在任何新PCB的开发过程中，设计工程师都必须找出设计之外的辐射体或射频泄漏，并对其进行描述和处理以通过一致性测试。可能的辐射体包括高速、大功率器件以及具有高密度或高复杂度的器件。扫描系统以叠加在Gerber文件上的形式显示空间辐射特性，因此测试人员可以准确地找出所有辐射问题的来源。设计工程师可以在采取了相应的解决措施之后，对器件进行重新测试并立即量化出校正设计后的效果。

扫描系统由一个扫描仪、小型适配器、一个客户提供的频谱分析仪和运行扫描系统软件的PC组成。台式扫描仪包括2，436条回路，可产生1，218个间隔为7.5mm的磁场探针，形成一个电子开关阵列并提供高达3.75mm的分辨率。系统工作频率范围为50kHz至4GHz，通过可选的软件密钥启用。

这样，用户就可以自行对设计进行测试，而不必依赖另外一个部门、测试工程师或进行耗时的场外测试。工程师甚至可以在诊断一个间歇故障之后，对设计进行更改，很快再进行测试。测试的结果可以对设计更改的影响进行精确的验证。

借助扫描系统，电路板设计工程师可以预先测试和解决电磁兼容问题，从而避免产生非预期的一致性测试结果。扫描仪的诊断功能可以帮助设计团队将辐射测试时间缩短两个数量级以上。

EMI近场辐射特性：SSCG示例

某一大型半导体厂商在解串器的并行总线上实现了SSCG功能。SSCG功能能够通过将辐射峰值能量扩展到更宽的频带上来减少辐射。如下面的图1所示，频率变化发生在额定时钟中心频率（中心扩频调制）附近，扩展的频谱为正或负1.0%（fdev）。在接收器并行总线端，输出以千赫兹（fmod）的调制速率随时间调制时钟频率和数据频谱。定制的串行解串器芯片组的目标客户是要求所安装电子设备具有低EMI辐射特性的汽车厂商。

图1：扩频时钟功能。

该公司期望用令人信服的量化证据来向汽车厂商说明SSCG功能可以有效降低EMI辐射。为了实现这个目标，设计团队首先在SSCG功能为“关”的情况下将待测器件（DUT）放其内部扫描仪上，加电，然后在PC中捕获辐射特性。为了进行有效的对比，在打开SSCG功能的情况下，对同一待测器件进行了扫描。
 

极近场扫描系统完成了空间和频谱扫描后显示并生成了以下辐射特性图。需注意的是，扫描结果叠加在Gerber设计文件上，因此这样对结果进行分析可以立即确定待测器件中的具体辐射体。图2显示了SSCG功能为“关”时待测器件的辐射特性。

图2：SSCG功能为“关”时测得的EMI辐射特性。

图3为SSCG功能为“开”时待测设备辐射的空间和频谱（幅度与频率）特性。通过对比，可以发现辐射已经显著减少。

图3：SSCG功能为“开”时的EMI辐射特性。

对测试结果进行比较之后，设计团队发现由于使用了SSCG功能导致电磁辐射显著减少。汽车电子工程师最大的挑战在于减少EMI辐射。客户支持团队每次向汽车厂商客户展示这些结果时，他们普遍都表现出了极大的兴趣。任何降低EMI的功能（此案例中为SSCG功能）都可以缩短上市时间、降低屏蔽和成本支出。
 

EMI近场辐射特性：新一代串行解串器例子

这是同一家半导体供应商的第二个例子，该公司开发了一个通过串行解串器进行点到点传输的第二代芯片组解决方案。在第三代芯片组中，设计团队采用了一种不同的技术并升级了传输能力。他们将双向控制通道一起嵌入高速串行链路中，从而实现了双向传输（全双工）。

为了量化比较半双工解串器与新一代全双工设计的辐射特性，设计团队再次使用了内部的EMI极近场扫描仪。他们将原来的半双工板放在扫描仪上，进行基线测量。对待测器件加电后，他们在PC上激活了扫描仪。（参见图4）

图4：半双工和全双工串行解串器器件的EMI扫描的测试环境。

采用同样的测试设置，设计团队用新一代全双工芯片组板替代了基线板，同时也针对每一条特性保持了同样的规格。如上文所述，需注意的是，空间扫描叠加在每次生成的Gerber设计文件上，以帮助工程师可以确定任何存在的辐射源。

基线（半双工）系统的空间和频谱特性如图5所示。图6展示了全双工模式下的辐射扫描结果。

图5：基线扫描结果：半双工模式下的串行解串器。

图6：辐射特性：全双工模式下的串行解串器。
 

设计团队对空间扫描结果和频谱扫描结果进行了仔细的对比。很多人可能认为辐射特性会由于扩展的双向传输功能而呈现出更高的电磁输出。而实际上，与基线相比，全双工模式下没有出现尖峰信号并且峰值辐射基本相似，甚至其EMI特性还略有改进（空间扫描结果呈现更深的蓝色）。测试结果证明全双工模式的新芯片组未出现明显的变化（见图3），设计团队在没有采取任何额外缓解措施的情况下实现了全双工功能。

这些测试是利用这家半导体公司的内部极近场扫描系统进行的。在短短的几分钟内，就获得了上文所示的结果。因为辐射特性结果清楚的展示了其优越的性能，设计无需采取任何额外的缓解措施。

相比而言，要在第三方测试箱中测试新设计，就要求工程师前往场外测试场所，并会耗费大半天的时间。使用测试箱往往需要提前几周安排，这会给开发过程带来极大的延误。

极近场扫描解决方案不会替代在测试箱中测试设计的需求。不过，这种仪器可以在简便的桌面系统中实现快速的前后一致性测试功能。

与在测试箱中进行的远场测量相比，极近场EMI特性可以提供实时反馈。此外，这些测量结果与在测试箱中测得的远场测量结果具有很高的相关性。因此，诸如EMxpert等极近场仪器可以减少在测试箱中进行类似测试的数量。总之，这可以帮助设计团队加快测试进程，更快地得到测试箱测试的一致性测试结果。

本文小结

汽车工程师不断面临着降低电磁干扰和确保所有汽车电子系统的电磁兼容的挑战。如果引入了新器件但没有进行充分的测试，这些工作就会越来越困难。当供应商能够有力证明新功能可以像上文的两个例子所示一样具有降低EMI的效果时，就能引起客户极大的兴趣。

在上文的两个例子中，供应商提供的结果显示采用了SSCG功能可以降低EMI，同时在新一代串行解串器例子中其辐射特性则没有变化。因此，极近场EM扫描可以缩短每个产品的设计周期，无需采取任何额外措施并为汽车厂商降低成本。

对于供应商而言，极近场EMI扫描技术可以实现极具说服力的频谱扫描，并且可以直观的把空间扫描结果叠加在Gerber设计文件上。这些功能可以帮助设计工程师记录和测量其产品新功能组的EMI特性。设计工程师继而可以在采取了新的缓解措施或者其它设计变更后快速的进行重新测试。因此，供应商设计团队也缩短了产品上市时间，而极具说服力的扫描结果可以使方案得到汽车厂商更快的采纳。