李靜元

（陜西師范大學(xué)，陜西 西安 710119）

0 引 言

隨著汽車信息化普及程度越來(lái)越高，車載通信產(chǎn)品的應(yīng)用也越來(lái)越多，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最重要的模塊即TBOX 系統(tǒng)，承載著車輛的通信信息和影音娛樂功能，對(duì)于汽車的智能化應(yīng)用起著非常重要的作用。但是車載類產(chǎn)品和普通的電子產(chǎn)品最明顯的差異是工作環(huán)境和空間干擾復(fù)雜化，車載工作環(huán)境溫度極高，電子器件的抗干擾能力和性能要求都需要符合汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

車聯(lián)網(wǎng)TBOX 系統(tǒng)中語(yǔ)音部分電路的設(shè)計(jì)必須要嚴(yán)格按照汽車級(jí)的CISPR25 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)進(jìn)行，語(yǔ)音的電磁兼容設(shè)計(jì)也是TBOX 的EMC 輻射騷擾測(cè)試的難點(diǎn)[1]。本文研究了車聯(lián)網(wǎng)TBOX 系統(tǒng)中語(yǔ)音電路的EMI 設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，提出了有效抑制EMI 的具體措施，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中EMI 的優(yōu)化方案有重要指導(dǎo)意義。

1 車聯(lián)網(wǎng)TBOX系統(tǒng)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)TBOX 系統(tǒng)主要完成汽車通信和影音娛樂等功能，通過40PIN 的連接器和車載部件相連，主要接口有揚(yáng)聲器、CAN 總線、麥克風(fēng)、蓄電池以及控制信號(hào)等，如圖1所示。汽車蓄電池作為電源輸入給車聯(lián)網(wǎng)TBOX 供電，TBOX 信號(hào)指令通過CAN 總線控制汽車相關(guān)功能。

車聯(lián)網(wǎng)TBOX 的語(yǔ)音信號(hào)通過連接器和揚(yáng)聲器互連，語(yǔ)音部分存在的干擾[2-3]主要分以下三種：

1）傳導(dǎo)干擾：連接器接口SPK 信號(hào)線傳導(dǎo)進(jìn)入TBOX 的干擾信號(hào)。

2）輻射干擾：播放音樂或車內(nèi)通話時(shí)語(yǔ)音電路對(duì)外的輻射干擾。

3）線間干擾：臨近信號(hào)線對(duì)SPK 信號(hào)線的干擾，對(duì)PCB 走線屏蔽要求較高。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)TBOX 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram for TBOX system of vehicle network

針對(duì)這三種主要干擾源，在TBOX 設(shè)計(jì)初期就應(yīng)考慮各模塊之間的電磁兼容性能測(cè)試要求，避免系統(tǒng)工作時(shí)造成語(yǔ)音通話質(zhì)量差和影響整車EMC 測(cè)試。

2 系統(tǒng)測(cè)試方案和設(shè)計(jì)

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)電磁兼容性測(cè)試和傳統(tǒng)電子產(chǎn)品測(cè)試不同，需要滿足汽車級(jí)的CISPR25 規(guī)范要求，TBOX 進(jìn)行EMI 測(cè)試時(shí)需要所有功能都工作，并且設(shè)備需要放到暗室內(nèi)封閉起來(lái)[4-6]。綜測(cè)儀選用CMW500 型號(hào)，保證TBOX 的射頻部分和基站保持持續(xù)通話，CAN 總線用軟件模擬持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，Speaker 持續(xù)循環(huán)播放語(yǔ)音，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試布置圖Fig.2 Scene of testing layout

TBOX 的原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示，PMIC 為電源主芯片，輸入電源為5 V，可配置輸出系統(tǒng)其他部分需要的電源；語(yǔ)音芯片選用TLV320AIC3100 型號(hào)，通過I2C 和I2S 配置控制輸出狀態(tài)；基帶芯片Baseband 完成和基帶相關(guān)的部分功能；MCU 完成TBOX 和汽車CAN 總線通信的相關(guān)功能。

圖3 TBOX 原理圖Fig.3 Schematic diagram of TBOX

3 測(cè)試結(jié)果分析

由于測(cè)試中發(fā)現(xiàn)電磁干擾EMI 中超標(biāo)最為嚴(yán)重的項(xiàng)目為RE 的低頻0.15 kHz～30 MHz，所以重點(diǎn)研究RE低頻測(cè)試項(xiàng)不合格的優(yōu)化方案。按照汽車級(jí)測(cè)試規(guī)范CISPR25 進(jìn) 行 RE 低頻 測(cè)試結(jié)果如 圖4所示[7]。

圖4 RE 150 kHz～30 MHzFig.4 Low frequency test results of RE（150 kHz～30 MHz）

參照規(guī)范門限值發(fā)現(xiàn)超標(biāo)頻點(diǎn)比較多，主要集中低頻的 1.485 MHz，5.94 MHz 和 6.09 MHz，不合格測(cè)試頻點(diǎn)如表1所示。

表1 RE 不合格測(cè)試項(xiàng)Table 1 Unqualified testing frequency points of RE

根據(jù)超標(biāo)的頻點(diǎn)結(jié)合TBOX 系統(tǒng)原理圖分析，因?yàn)檎Z(yǔ)音芯片為D 類功放，芯片內(nèi)部倍頻器（PLL）時(shí)鐘和TBOX 電路板上的DC-DC 電源開關(guān)頻率工作時(shí)會(huì)對(duì)電磁輻射結(jié)果造成影響。語(yǔ)音芯片需要通過PLL 倍頻技術(shù)為內(nèi)部的ADC 和DAC 提供需要的時(shí)鐘頻率見圖5。

圖5 Codec 語(yǔ)音系統(tǒng)PLL 倍頻框圖Fig.5 Block diagram of PLL frequency doubling of Codec phonetic system

PLL 輸入時(shí)鐘為 MCLK，也可使用 BCLK、GPIO1 和DIN 作為輸入源，通過配置寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)切換PLL 倍頻的輸入源。本文選擇MCLK 作為外部輸入時(shí)鐘，輸入源頻率為150 kHz，通過倍頻后Codec 內(nèi)部會(huì)存在多個(gè)倍頻點(diǎn)的頻率。語(yǔ)音系統(tǒng)內(nèi)部的ADC 和DAC 所需時(shí)鐘計(jì)算如下，通過配置語(yǔ)音芯片內(nèi)部寄存器可配置出DAC和ADC 所需的多個(gè)頻點(diǎn)值，保證語(yǔ)音功能正常使用。

TBOX 的語(yǔ)音系統(tǒng)輸入電源通過汽車電瓶輸入12 V電壓，然后經(jīng)過兩級(jí)DC-DC 電源芯片降壓后得到系統(tǒng)所需各路電壓，語(yǔ)音系統(tǒng)主要電壓輸入為3.3 V 的AVDD 和 5 V 的 SPK_VDD 兩路電壓，1.8 V 的 IOVDD 通過PMIC 的LDO 供電。LDO 工作原理上比開關(guān)電源DCDC 要小得多，所以語(yǔ)音的電源噪聲重點(diǎn)關(guān)注3.3 V 和5 V 兩個(gè)電源軌輻射干擾。

4 設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化

電磁干擾測(cè)試項(xiàng)RE 主要測(cè)試目的是設(shè)備工作時(shí)的輻射干擾，想要解決超標(biāo)頻點(diǎn)問題需要從源頭上抑制干擾源，這就必須想辦法解決D 類功放工作時(shí)對(duì)外的輻射干擾和電源開關(guān)頻率工作時(shí)的輻射噪聲，通過分析研究后對(duì)原理圖中語(yǔ)音設(shè)計(jì)部分進(jìn)行三處優(yōu)化：開關(guān)電源通路優(yōu)化、語(yǔ)音濾波優(yōu)化和系統(tǒng)I/O 接口濾波優(yōu)化[3，8-9]。

4.1 開關(guān)電源通路優(yōu)化

開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾最根本的原因就是其在工作過程中產(chǎn)生的高di/dt和高dv/dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了干擾源，其諧波和倍頻會(huì)成為EMI測(cè)試中的干擾源。為了抑制開關(guān)電源的干擾問題，采用在電源輸入和電源輸出根據(jù)實(shí)際情況并聯(lián)退耦電容，最好選擇ESR 比較小的陶瓷電容效果佳，電容值選擇根據(jù)截止頻率來(lái)計(jì)算，電容的耐壓值要高于最大電壓值。改進(jìn)后的電源模塊原理圖如圖6所示。

DC-DC 的輸出和PMIC 的輸入引腳要盡可能靠近走線。Codec 芯片TLV320AIC3100 的電源輸入源是DCDC 和PMIC，存在干擾帶進(jìn)系統(tǒng)的可能性，所以在電源輸入引腳要添加大電容和小電容進(jìn)行濾波，盡可能讓輸入電源干凈。

4.2 語(yǔ)音濾波優(yōu)化

語(yǔ)音芯片內(nèi)部倍頻會(huì)產(chǎn)生多個(gè)頻率時(shí)鐘提供給DAC 和ADC 模塊使用，同時(shí)時(shí)鐘信號(hào)也會(huì)成為Codec 的內(nèi)部干擾源從SPK 的信號(hào)線輻射出來(lái)。根據(jù)頻點(diǎn)范圍對(duì)語(yǔ)音系統(tǒng)進(jìn)行了濾波優(yōu)化，在Codec_SPK+和Codec_SPK-信號(hào)出芯片后就近擺放共模濾波器件G2，并且PCB 走線要盡可能短，最佳濾除共模噪聲，信號(hào)線對(duì)地添加33 pF 電容組成π 型網(wǎng)絡(luò)濾除傳導(dǎo)低頻干擾，把共模噪聲引到共模地消除干擾?？拷B接器側(cè)信號(hào)線間增加33 pF 電容濾除差模干擾。

4.3 系統(tǒng)I/O接口濾波優(yōu)化

系統(tǒng)I/O 連接器是車聯(lián)網(wǎng)TBOX 和汽車其他部件的通信接口，也是最容易干擾和被干擾的途徑，TBOX 系統(tǒng)內(nèi)干擾信號(hào)可順著連接器輻射出去，外部噪聲也會(huì)從連接器線纜傳導(dǎo)進(jìn)系統(tǒng)，因此連接器I/O 接口的濾波優(yōu)化也尤為重要。

在電瓶信號(hào)KL30_12 V 上串聯(lián)阻抗為120 Ω 的磁珠抑制外部供電的噪聲進(jìn)系統(tǒng)，在語(yǔ)音Speaker 的信號(hào)線上串聯(lián)對(duì)6 MHz 頻率濾波效果好的磁珠抑制輻射傳導(dǎo)噪聲，如圖8所示。

在PCB 布局中磁珠擺放要靠近連接器引腳效果最佳，對(duì)敏感信號(hào)Audio_SPK+和Audio_SPK-走線需做好隔離保護(hù)，臨層避免干擾源和敏感信號(hào)。

4.4 優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后復(fù)測(cè)電磁干擾RE 項(xiàng)目，相比之前超標(biāo)的頻點(diǎn)有了明顯改善，而且所有測(cè)試頻點(diǎn)均通過門限值要求，如圖9所示。對(duì)比表2的RE 復(fù)測(cè)結(jié)果可以看出優(yōu)化效果非常顯著，留出的裕度也很寬，6.18 MHz 的裕度為3.9 MHz。

圖9 RE 150 kHz～30 MHzFig.9 Optimized RE at 150 kHz～30 MHz

通過對(duì)TBOX 系統(tǒng)的開關(guān)電源通路語(yǔ)音芯片的電路濾波優(yōu)化后，整機(jī)TBOX 的EMI 測(cè)試得到了極大的優(yōu)化，并且RE 測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的。針對(duì)濾波優(yōu)化后的原電路進(jìn)行了EMC 的RE 和ALSE 等其他測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)果均通過車載標(biāo)準(zhǔn)CISPR25 規(guī)范。

表2 RE 復(fù)測(cè)結(jié)果Table 2 Retest results of RE

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)車聯(lián)網(wǎng)TBOX 語(yǔ)音系統(tǒng)的EMI 測(cè)試中RE 輻射噪聲進(jìn)行了分析研究，結(jié)合原理圖對(duì)超標(biāo)頻點(diǎn)的干擾源進(jìn)行定位，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)和濾波方案，分別對(duì)開關(guān)電源和語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行了共模、差模阻抗濾波，有針對(duì)性地對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行選值。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室復(fù)測(cè)驗(yàn)證了優(yōu)化方案能有效地抑制噪聲源，對(duì)后續(xù)類似的設(shè)計(jì)研究具有非常重大的意義。