应用笔记 4211

符合EMI/EMC标准的SerDes——基本测试策略和指南


摘要 : 电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)测试是汽车应用领域中串行器/解串器(SerDes)设计必须验证的参数,需要在设计之初谨慎考虑EMI和EMC问题,避免不必要的设计修改。以下应用笔记详细介绍了如何在SerDes系统中测试EMI/EMC的基本概念和技术指南。

类似文章于2009年8月3日发表在Electronic DesignAutoElectronics网站

引言

LCD视频显示屏在汽车领域的应用越来越普遍,坚固的设计、小巧的尺寸及低廉的成本使其非常适合安全、导航及信息娱乐系统。LCD显示屏是数字装置,每个像素为离散的数字值。由于驱动这些显示屏的媒体/图像信号源通常也为数字格式,因此,数字链路是连接视频信号源和显示屏最简单、性能最高的方式。视频链路的数字通道必须具有足够的带宽,例如640 x 480像素的彩色显示屏工作于30fps (帧/秒)。如果每个像素的红、绿、蓝信号仅有6位分辨率,对应的数据率则为640 x 480 x 30 x 18 = 166Mbps。实际传输速率必须略高一些,因为正常工作需要消隐时间。许多显示屏具有更多像素和/或更高的像素分辨率,从而使码率大大提升。串行器/解串器(SerDes)器件接收并行数字数据,然后对其进行串行转换,以便传输。有些器件,例如MAX9209串行器,保持红、绿和蓝数据通道分离,三原色中的每种颜色为一个独立的串行通道,另外还提供时钟第4个通道。其它器件,例如MAX9247串行器,则将这些数据组合为单个串行通道,采用嵌入式时钟信号。这两种方法都会明显提高传输基频。尽管频率增大会产生问题,但是为串行转换后的信号提供具有适当屏蔽和阻抗匹配的传输介质相对比较容易。

EMI测试

汽车应用中必须进行EMI测试,确保处于工作状态的系统不会干扰到周围其他系统。针对空间辐射和传导干扰进行测试。空间辐射的测试主要使用天线,检测系统通过自由空间向其他系统辐射的能力。设计不合理的SerDes系统无法满足EMI技术指标。相比之下,传导干扰测试主要采用系统电源线上的电压和电流探头完成。由于SerDes系统很少直接连接到电源线,所以很少考虑传导干扰。

EMC测试

与EMI测试类似,汽车应用领域通过EMC测试确保系统不会被周围其他系统干扰。由于新型汽车车体内部存在大量电子系统,所有这些系统都存在电流、电阻并且工作频率占据很宽的频谱,因此很有必要进行这项测试。EMC测试采用大电流注入(BCI),对被测系统来说是个难题。尽管BCI测试规范和方法依汽车厂商的不同而异,但通常涉及到频率从几MHz到1GHz较强的外部电磁场。

像素时钟频率选择

正确选择像素时钟对EMI具有明显影响,SerDes视频链路类似于其它高速数字器件,会产生时钟频率整数倍的谐波辐射,由此检测其EMI。汽车应用领域,EMI辐射限制随频率变化。许多汽车制造商都在特定频带内规定了相当严格的限制。例如,433MHz是用于无线门禁(RKE)的频率,往往是EMI规范中最严格的频段。对于像素时钟频率为33MHz的系统,其13次谐波位于429MHz,这会严重干扰433MHz RKE频带。选择稍低的32.7MHz频率,可以将13次谐波移到425MHz,形成更宽松的频率裕量。

SerDes PCB EMI/EMC测试的通用特点

  • 良好的接地对所有IC都是非常重要的设计准则,对于SerDes系统尤其重要。所有接地引脚必须具有低阻,并连接到稳定的接地区域。不建议将PCB分为多个区域。PCB元件层的覆铜区域,以及紧邻下方采用连续覆铜区,这些都是常规准则。使最上层的覆铜远离阻抗匹配地走线,最好保留至少3倍于差分对布线的间距。
  • 考虑每个接地点都采用了多个过孔,过孔的寄生电感是造成非理想特性的关键。采用多个过孔有助于减小电感,从而提高性能。
  • 对IC的电源端进行旁路非常重要,特别是对于SerDes系统。类似于接地的考虑,电源引脚从电源侧看必须具有低交流阻抗,尤其是低压差分信号(LVDS)线路、I/O电源引脚以及用于锁相环(PLL)电路的电源引脚。建议每个引脚连接两个旁路电容,这两个电容通常相差10倍至100倍(例如0.1µF和1nF)。最小电容应距离需要去耦/旁路的电源引脚最近。
  • 可以考虑在SerDes系统的电源引脚使用磁珠,特别是LVDS线路、I/O电源引脚和PLL电源引脚,当然,这一点适用于所有电源引脚。磁珠有助于减小高频能量的输入和输出,选择峰值阻抗为100Ω至600Ω、额定值至少为100mA的磁珠。
图1所示为MAX9247串行器PCB的放大图片,关键元件有FB4、C6和C5,这些元件被布置在一列,丝印参考点位于各自元件外框的右侧。图1底部为MAX9247的一角。FB4的右侧端子通过一个过孔连接到嵌入式接地区域。FB4的左侧端子向下连接至C6和C5,然后连接至MAX9247的引脚27,这是串行器的VCCPLL电源节点。注意,连接FB4、C5和C6的引线较宽,使寄生电感降至最低。由于该引线为了满足MAX9247的引脚焊距而变窄,所以在C5和MAX9247之间使用了一个多边形覆铜,保持尽量宽的引线,同时尽量靠近串行器。而且,C5和C6的接地显示每个电容自身都具有连接至接地区域的过孔(每个元件的右侧)。最上层覆铜区域为接地层,为C6和C5至MAX9247的引脚26提供直接的低电感连接通路,该引脚为串行器的PLLGND。

关于串行器的建议

抑制串行器的EMI辐射需要了解一些基本概念。通常情况下,串行器对EMC测试不是特别敏感;然而,其输出需要具有阻抗固定的平衡传输线对。大多数串行器IC针对100Ω阻抗进行优化。如果设计中有不可更改的设计因素,接近该范围的其它阻值也可以接受。如果串行器输出需要连接到机箱以外,并入汽车线束,这些输出就必须能够承受对电池短路故障。最简单的解决方案是采用0.1µF电容对每路输出进行交流耦合。然而,这样需要一个直流平衡串行器,例如MAX9209MAX9217MAX9247。也可以使用非直流平衡器件,但系统设计必须保证所需偏压由外部提供,而这通常不可行。最后,在串行器输出接出PCB之前,输出端往往连接一个共模扼流圈。这对串行器套件之外的共模噪声抑制有一定保护作用。当然,共模扼流圈的作用很有限,当插入损耗(标称为1dB)影响到链路的可靠性时,则不应使用。

图1. MAX9247的推荐旁路和接地设计
图1. MAX9247的推荐旁路和接地设计

关于解串器的建议

类似于串行器,设计工程师也需要遵循一些基本的概念和原则抑制解串器的EMI辐射。为避免解串器受EMC干扰,需要掌握一些基本要素,因为解串器易受EMC影响,同时也产生EMI辐射。

在解串器输入端,靠近差分信号接入PCB的位置,往往放置共模扼流圈。共模扼流圈有助于减小共模噪声的拾取,共模扼流圈在系统选定的工作频率下必须具有较低的差分插入损耗。解串器输入需要具有阻抗固定的平衡传输线对。大多数解串器针对100Ω阻抗进行优化,如果设计中存在不可更改因素,接近该范围的其它阻值也可以接受。

如果解串器输入需要交流耦合,可在共模扼流圈之后进行隔直流。同样,这些电容只能用于直流平衡解串器,例如MAX9236和MAX9248。差分对需要短接到100Ω差分阻抗,尽量靠近接收器侧IC放置。差分阻抗保持在100Ω时,必须保持很低的共模阻抗。可以使用Thevenin端接系统,或者将与中间节点串联的一对50Ω电阻旁路至地,两种连接方法如图2所示。对于EMI/EMC测试来说,最好采用一对50Ω电阻,因为:
  • 它允许IC设置自身的直流偏置;
  • 它不向终端注入VCC噪声;
  • 它不消耗功率。
图2. 正确的LVDS端接方法(左:Thevenin配置;右:串联50Ω电阻配置)
图2. 正确的LVDS端接方法(左:Thevenin配置;右:串联50Ω电阻配置)

连接器和线束

SerDes系统中使用的连接器和电缆是系统的关键部件,对EMI和EMC测试的影响非常显著。汽车应用领域的普遍做法是:规定链路两端的PCB插座和电缆连接器由同一制造商提供。连接器必须保持固定阻抗,并提供屏蔽接口,以优化性能。此外,必须使用单极插入或正极性锁连接器,确保可靠性。

电缆也必须具有固定阻抗,线束要求严格屏蔽以防辐射。如果使用多线对电缆,每对电缆都需要单独屏蔽。对于汽车SerDes,一般CAT5电缆即可满需要求。

有许多制造商提供连接器和电缆系统,建议使用RosenbergerJAEHirose产品。

有些系统中,连接器的屏蔽仅在链路一端接地,另一端则通过电容(典型为0.1µF)接地。这种耦合有助于避免地电位在电缆屏蔽层产生直流电流。

其它EMI源

SerDes视频链路的另一个EMI源为解串器输出。这些输出为CMOS逻辑电平,相对为高速沿。如果CMOS逻辑输出屏蔽不当,也会引起EMI辐射。减小来自于LCD面板逻辑信号的最好办法是采用具有扩频技术的解串器,例如MAX9242MAX9244MAX9246MAX9248MAX9250。这些解串器提供各种工作模式、数据宽度和工作频率,以满足大多数系统的要求。