汽车电子MCU设计方法

Posted 2021-03-03

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，结合到集成电路中的设计，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——MCU，其EMC性能的好坏直接影响各个模块与系统的控制功能。下面介绍在关于汽车电子MCU中使用的可行性设计方法

1.时钟电路设计
　　
由于时钟电路所产生的时钟信号一般都是周期信号，其频谱是比较离散的，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，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。此外还有几种常见在时钟方面的抗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。从测试结果可以看出，一个微处理器的运行频率由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。这一关键的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.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(slewratecontrol)和驱动强度(drivestrength)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。

基于GSMC180nm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。