摘要： 隨著汽車電子技術(shù)飛速發(fā)展，電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,EMC）已成為衡量汽車電子芯片性能與可靠性的重要指標(biāo)。本文深入剖析電磁兼容性優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車電子芯片領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用，以國(guó)科安芯的MCU芯片AS32A601為實(shí)例，詳細(xì)闡述其在電源管理、時(shí)鐘監(jiān)控、錯(cuò)誤控制、看門狗設(shè)計(jì)等多方面所采用的EMC優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞： 電磁兼容性；汽車電子芯片；電源管理；時(shí)鐘監(jiān)控；錯(cuò)誤控制；看門狗

一、引言

在當(dāng)代汽車工業(yè)中，電子系統(tǒng)在汽車的性能、安全與舒適性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。從發(fā)動(dòng)機(jī)的精確控制到變速箱的智能管理，從高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver-Assistance Systems,ADAS）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到車身電子的便捷調(diào)控，電子芯片作為汽車電子系統(tǒng)的核心，其穩(wěn)定性與可靠性直接關(guān)系到整個(gè)汽車的品質(zhì)。而電磁兼容性（EMC）作為汽車電子芯片的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，日益受到行業(yè)的高度重視。

電磁兼容性是指電子設(shè)備在自身正常運(yùn)行的同時(shí)，不會(huì)對(duì)周圍其他電子設(shè)備產(chǎn)生不可容忍的電磁干擾，并且具備抵御外界電磁干擾的能力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車電子故障中，約有30%與電磁干擾相關(guān)。這些干擾可能來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻點(diǎn)火系統(tǒng)、車載通信設(shè)備、外部的無(wú)線信號(hào)基站以及其他電子控制單元等。因此，優(yōu)化汽車電子芯片的EMC設(shè)計(jì)，對(duì)于提升汽車電子系統(tǒng)的可靠性、安全性以及降低售后維修成本具有極為重要的意義。

國(guó)科安芯推出的AS32A601芯片，作為一款專為安全關(guān)鍵領(lǐng)域打造的高性能、低功耗MCU，憑借其出色的EMC設(shè)計(jì)，通過(guò)AEC-Q100車規(guī)認(rèn)證，滿足ASIL-B功能安全等級(jí)，且芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝、測(cè)試、認(rèn)證等全流程國(guó)產(chǎn)化。該芯片工作頻率高達(dá)180MHz，工作溫度范圍寬達(dá)-40℃+125℃，工作電壓兼容2.7V5.5V，且采用LQFP144封裝，能滿足汽車在不同工況下的使用需求，為深入研究EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車電子芯片中的實(shí)踐提供了優(yōu)質(zhì)樣本。

二、汽車電子芯片EMC設(shè)計(jì)的重要性

（一）電磁干擾的來(lái)源與危害

在汽車電子環(huán)境中，電磁干擾的來(lái)源多種多樣。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻電磁脈沖，這些脈沖可能通過(guò)電源線或信號(hào)線耦合到電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU），導(dǎo)致其內(nèi)部電路出現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，進(jìn)而引發(fā)控制系統(tǒng)誤判，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。車載通信系統(tǒng)如藍(lán)牙、Wi-Fi、車載以太網(wǎng)等，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的高頻電磁波，若與其他電子模塊的信號(hào)頻率相近，易產(chǎn)生信號(hào)干擾，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或通信中斷。此外，外部環(huán)境中的電磁輻射，如來(lái)自其他車輛的電子設(shè)備、道路周邊的無(wú)線通信基站等，也可能對(duì)汽車電子系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，尤其是在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，這種外部干擾的風(fēng)險(xiǎn)更為突出。

電磁干擾的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是影響汽車電子控制單元的正常工作，導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失或程序跑飛，可能引發(fā)汽車動(dòng)力系統(tǒng)故障、制動(dòng)系統(tǒng)失靈、安全氣囊誤觸發(fā)等嚴(yán)重安全事故；二是降低汽車電子系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性，使電子設(shè)備的使用壽命縮短，增加售后維修成本與頻率；三是干擾車載通信系統(tǒng)，影響車輛與外界的信息交互，如V2X通信（車與車、車與基礎(chǔ)設(shè)施、車與行人等的通信），在智能交通環(huán)境下，這將極大地降低交通效率與安全性。

（二）EMC設(shè)計(jì)對(duì)汽車電子芯片的性能提升

良好的EMC設(shè)計(jì)能夠有效降低汽車電子芯片對(duì)外界的電磁輻射，減少對(duì)其他電子設(shè)備的干擾，同時(shí)增強(qiáng)芯片自身抵御外界電磁干擾的能力，確保其在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作。通過(guò)優(yōu)化電源管理模塊，可以降低電源紋波與噪聲，為芯片提供穩(wěn)定的供電環(huán)境，減少因電源波動(dòng)產(chǎn)生的電磁干擾，提高芯片的運(yùn)算精度與穩(wěn)定性。時(shí)鐘監(jiān)控模塊的EMC設(shè)計(jì)能夠確保時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確與穩(wěn)定，避免時(shí)鐘抖動(dòng)與頻率漂移引發(fā)的電磁諧波，保障芯片內(nèi)部各功能模塊的同步運(yùn)行。錯(cuò)誤控制單元（Fault Control Unit,FCU）能夠在電磁干擾導(dǎo)致芯片出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)檢測(cè)并采取相應(yīng)的糾正措施，如中斷、復(fù)位等，防止錯(cuò)誤的擴(kuò)散與累積，維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行?？撮T狗設(shè)計(jì)則為芯片的運(yùn)行提供了一種自我監(jiān)測(cè)與恢復(fù)機(jī)制，當(dāng)程序因電磁干擾陷入異常狀態(tài)時(shí)，看門狗能夠及時(shí)觸發(fā)復(fù)位，使芯片重新進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

三、AS32A601芯片的電源管理與EMC優(yōu)化

（一）電源管理模式與切換策略

AS32A601芯片具備四種電源管理模式：RUN、SRUN、SLEEP、DEEPSLEEP。在RUN模式下，芯片全速運(yùn)行，所有功能模塊正常工作，此時(shí)通過(guò)優(yōu)化電源引腳布局及濾波電路設(shè)計(jì)，有效抑制外部電源噪聲對(duì)芯片內(nèi)部電路的侵?jǐn)_。例如，在汽車啟動(dòng)瞬間，電池電壓可能出現(xiàn)大幅波動(dòng)，此時(shí)芯片的電源管理模塊能夠迅速響應(yīng)，通過(guò)內(nèi)部穩(wěn)壓電路與濾波電容的協(xié)同作用，將電源電壓穩(wěn)定在芯片的工作范圍內(nèi)，確保芯片的正常啟動(dòng)與運(yùn)行。

SRUN模式是一種省電模式，在該模式下，芯片的時(shí)鐘頻率降低，部分非關(guān)鍵模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)，但仍保持一定的運(yùn)算能力，以滿足一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)需求。這種模式在汽車電子中應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，如在汽車處于怠速狀態(tài)或某些輔助功能待機(jī)時(shí)，芯片可切換至SRUN模式，降低功耗的同時(shí)減少電源紋波產(chǎn)生的電磁干擾。

SLEEP模式下，芯片僅維持基本的時(shí)鐘與電源供應(yīng)，大部分功能模塊停止工作，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。此時(shí)芯片的功耗大幅降低，電磁輻射也隨之減少。當(dāng)汽車電子系統(tǒng)處于短暫的空閑期，如車輛短暫停車等待時(shí)，芯片可切換至SLEEP模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與降低電磁干擾的雙重目標(biāo)。

DEEPSLEEP模式是芯片的深度睡眠狀態(tài)，僅維持必要模塊的基本供電，其余模塊斷電，極大降低漏電流與自身電磁輻射的水平。在汽車長(zhǎng)時(shí)間停放或某些功能長(zhǎng)時(shí)間未被使用時(shí)，芯片可進(jìn)入DEEPSLEEP模式，此時(shí)芯片的電磁輻射幾乎可以忽略不計(jì)，有效避免對(duì)周圍電子設(shè)備的干擾。

（二）低電壓檢測(cè)與復(fù)位功能

芯片的低電壓檢測(cè)（Low Voltage Detection,LVD）和復(fù)位功能（LVD/Low Voltage Reset,LVR）協(xié)同工作，為EMC優(yōu)化提供有力保障。當(dāng)電源電壓超出預(yù)設(shè)安全范圍時(shí)，LVD功能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并迅速觸發(fā)復(fù)位。例如，在汽車行駛過(guò)程中，若因電池故障或外部電磁干擾導(dǎo)致電源電壓驟降，LVD會(huì)在電壓低于設(shè)定閾值的瞬間，立即復(fù)位芯片，使其重新初始化，避免因電源異常導(dǎo)致的芯片誤操作與電磁干擾加劇。這一過(guò)程不僅保護(hù)了芯片自身免受低電壓損害，還確保了整個(gè)汽車電子系統(tǒng)在電壓恢復(fù)正常后能夠快速、穩(wěn)定地重新運(yùn)行，維持系統(tǒng)的電磁兼容性處于可控狀態(tài)。

四、時(shí)鐘監(jiān)控模塊與EMC設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)

（一）時(shí)鐘監(jiān)控模塊的功能與原理

AS32A601芯片的時(shí)鐘監(jiān)控模塊（Clock Management Unit,CMU）承擔(dān)著對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理任務(wù)。該模塊能夠?qū)?nèi)部16M振蕩器時(shí)鐘（FIRC）、PLL輸出時(shí)鐘（PLL_Q、PLL_R）進(jìn)行精確監(jiān)控，檢測(cè)時(shí)鐘頻率的偏差與丟失情況。其工作原理是通過(guò)將被監(jiān)控時(shí)鐘與參考時(shí)鐘進(jìn)行相位與頻率比較，利用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)時(shí)鐘周期內(nèi)的脈沖數(shù)量，進(jìn)而判斷時(shí)鐘信號(hào)是否在預(yù)設(shè)的允許范圍內(nèi)。

（二）CMU在EMC優(yōu)化中的作用

在EMC優(yōu)化方面，CMU的介入有效避免因時(shí)鐘抖動(dòng)、頻率漂移產(chǎn)生的電磁干擾諧波。穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)是芯片內(nèi)部各功能模塊協(xié)同工作的基礎(chǔ)，時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致數(shù)字電路中的邏輯門開關(guān)時(shí)刻不穩(wěn)定，產(chǎn)生額外的電磁輻射。而CMU通過(guò)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與校準(zhǔn)，確保時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定與準(zhǔn)確，從而減少因時(shí)鐘不穩(wěn)定引發(fā)的電磁干擾。

以汽車電子中的通信模塊為例，穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)確保數(shù)據(jù)傳輸同步，減少因時(shí)鐘不穩(wěn)定導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重傳、信號(hào)沖突等現(xiàn)象。在汽車網(wǎng)絡(luò)通信中，如CAN總線、LIN總線等，各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸依賴于精確的時(shí)鐘同步。CMU的穩(wěn)定時(shí)鐘輸出使得數(shù)據(jù)傳輸更加可靠，避免了因數(shù)據(jù)錯(cuò)誤重傳而產(chǎn)生的額外電磁輻射，進(jìn)而降低整個(gè)系統(tǒng)的電磁干擾水平。同時(shí)，CMU在監(jiān)控過(guò)程中采用的參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)窗口技術(shù)，通過(guò)合理配置窗口時(shí)間與閾值，增強(qiáng)時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)外部電磁干擾的抵御能力，保障時(shí)鐘信號(hào)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定性。

五、實(shí)用技巧總結(jié)與注意事項(xiàng)

（一）PCB布局布線優(yōu)化

信號(hào)分區(qū) ：遵循“信號(hào)分區(qū)”原則，將高速信號(hào)、低速信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)分區(qū)布局，減少不同信號(hào)間電磁耦合。在汽車電子芯片的PCB設(shè)計(jì)中，將高頻的時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)總線信號(hào)與低頻的控制信號(hào)、模擬信號(hào)分別布置在不同的區(qū)域，避免高速信號(hào)對(duì)低頻信號(hào)的干擾。

多層PCB設(shè)計(jì) ：采用多層PCB設(shè)計(jì)，設(shè)置專門電源層與地層，利用電源層與地層間的低阻抗特性，快速泄放電磁干擾電流，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。在電源層與地層之間保持緊密的耦合，減小層間間距，降低電源阻抗，提高電源的穩(wěn)定性與抗干擾能力。

（二）濾波與屏蔽技術(shù)運(yùn)用

濾波電路設(shè)計(jì) ：在芯片電源輸入端、信號(hào)線增設(shè)濾波電路，如LC濾波、π型濾波等，濾除高頻電磁干擾。根據(jù)實(shí)際干擾頻率與信號(hào)帶寬，合理選擇濾波器的參數(shù)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確保濾波效果的同時(shí)不影響信號(hào)的正常傳輸。

屏蔽措施 ：對(duì)敏感模塊如ADC、DAC采用金屬屏蔽罩屏蔽，阻斷外部電磁干擾侵入路徑，同時(shí)抑制模塊自身電磁輻射。確保屏蔽罩的良好接地，形成完整的屏蔽路徑，提高屏蔽效果。

（三）接地系統(tǒng)完善

構(gòu)建完整接地系統(tǒng) ：構(gòu)建完整、低阻抗接地系統(tǒng)，確保芯片各模塊接地電位一致，防止因地電位差引發(fā)電磁干擾。采用多點(diǎn)接地方式，將各個(gè)模塊的接地線盡可能短地連接到公共地線上，減少接地回路面積。

接地方式選擇 ：根據(jù)實(shí)際電路布局與信號(hào)特性，采用星型接地法或混合接地法，優(yōu)化接地線布局。在汽車電子系統(tǒng)中，對(duì)于高頻信號(hào)電路采用星型接地，避免不同支路的高頻信號(hào)相互干擾；對(duì)于低頻信號(hào)電路可采用混合接地方式，在保證接地可靠性的同時(shí)降低接地系統(tǒng)的復(fù)雜度。

六、結(jié)論

AS32A601芯片作為汽車電子芯片EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)的成功典范，憑借其在電源管理、時(shí)鐘監(jiān)控等多方面的出色EMC表現(xiàn)，為汽車電子系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行筑牢根基。其EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐為汽車電子芯片設(shè)計(jì)人員提供豐富思路與借鑒，推動(dòng)汽車電子產(chǎn)業(yè)向更高性能、更可靠、更安全方向發(fā)展。隨著汽車電子技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，電磁兼容性設(shè)計(jì)將不斷面臨新挑戰(zhàn)與機(jī)遇，未來(lái)有望出現(xiàn)更多創(chuàng)新EMC優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)一步提升汽車電子芯片的性能與可靠性，為智能汽車時(shí)代的到來(lái)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

審核編輯 黃宇