車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中語音電路EMI濾波設(shè)計和優(yōu)化

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越高，車載通信產(chǎn)品的應(yīng)用也越來越多，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)標準。

車聯(lián)網(wǎng)TBOX 系統(tǒng)中語音部分電路的設(shè)計必須要嚴格按照汽車級的CISPR25 標準規(guī)范來進行，語音的電磁兼容設(shè)計也是TBOX 的EMC 輻射騷擾測試的難點[1]。本文研究了車聯(lián)網(wǎng)TBOX 系統(tǒng)中語音電路的EMI 設(shè)計優(yōu)化方案，并根據(jù)實驗結(jié)果進行分析，提出了有效抑制EMI 的具體措施，對車聯(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，主要接口有揚聲器、CAN 總線、麥克風(fēng)、蓄電池以及控制信號等，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 信號指令通過CAN 總線控制汽車相關(guān)功能。

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

1）傳導(dǎo)干擾：連接器接口SPK 信號線傳導(dǎo)進入TBOX 的干擾信號。

2）輻射干擾：播放音樂或車內(nèi)通話時語音電路對外的輻射干擾。

3）線間干擾：臨近信號線對SPK 信號線的干擾，對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

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

2 系統(tǒng)測試方案和設(shè)計

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)電磁兼容性測試和傳統(tǒng)電子產(chǎn)品測試不同，需要滿足汽車級的CISPR25 規(guī)范要求，TBOX 進行EMI 測試時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[4-6]。綜測儀選用CMW500 型號，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)播放語音，現(xiàn)場測試布置圖如圖2所示。

圖2 測試布置圖Fig.2 Scene of testing layout

TBOX 的原理圖設(shè)計如圖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；語音芯片選用TLV320AIC3100 型號，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 測試結(jié)果分析

由于測試中發(fā)現(xiàn)電磁干擾EMI 中超標最為嚴重的項目為RE 的低頻0.15 kHz～30 MHz，所以重點研究RE低頻測試項不合格的優(yōu)化方案。按照汽車級測試規(guī)范CISPR25 進 行 RE 低頻 測試結(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)超標頻點比較多，主要集中低頻的 1.485 MHz，5.94 MHz 和 6.09 MHz，不合格測試頻點如表1所示。

表1 RE 不合格測試項Table 1 Unqualified testing frequency points of RE

根據(jù)超標的頻點結(jié)合TBOX 系統(tǒng)原理圖分析，因為語音芯片為D 類功放，芯片內(nèi)部倍頻器（PLL）時鐘和TBOX 電路板上的DC-DC 電源開關(guān)頻率工作時會對電磁輻射結(jié)果造成影響。語音芯片需要通過PLL 倍頻技術(shù)為內(nèi)部的ADC 和DAC 提供需要的時鐘頻率見圖5。

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

PLL 輸入時鐘為 MCLK，也可使用 BCLK、GPIO1 和DIN 作為輸入源，通過配置寄存器來實現(xiàn)切換PLL 倍頻的輸入源。本文選擇MCLK 作為外部輸入時鐘，輸入源頻率為150 kHz，通過倍頻后Codec 內(nèi)部會存在多個倍頻點的頻率。語音系統(tǒng)內(nèi)部的ADC 和DAC 所需時鐘計算如下，通過配置語音芯片內(nèi)部寄存器可配置出DAC和ADC 所需的多個頻點值，保證語音功能正常使用。

TBOX 的語音系統(tǒng)輸入電源通過汽車電瓶輸入12 V電壓，然后經(jīng)過兩級DC-DC 電源芯片降壓后得到系統(tǒng)所需各路電壓，語音系統(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，所以語音的電源噪聲重點關(guān)注3.3 V 和5 V 兩個電源軌輻射干擾。

4 設(shè)計改進和優(yōu)化

電磁干擾測試項RE 主要測試目的是設(shè)備工作時的輻射干擾，想要解決超標頻點問題需要從源頭上抑制干擾源，這就必須想辦法解決D 類功放工作時對外的輻射干擾和電源開關(guān)頻率工作時的輻射噪聲，通過分析研究后對原理圖中語音設(shè)計部分進行三處優(yōu)化：開關(guān)電源通路優(yōu)化、語音濾波優(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，其諧波和倍頻會成為EMI測試中的干擾源。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)截止頻率來計算，電容的耐壓值要高于最大電壓值。改進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行濾波，盡可能讓輸入電源干凈。

4.2 語音濾波優(yōu)化

語音芯片內(nèi)部倍頻會產(chǎn)生多個頻率時鐘提供給DAC 和ADC 模塊使用，同時時鐘信號也會成為Codec 的內(nèi)部干擾源從SPK 的信號線輻射出來。根據(jù)頻點范圍對語音系統(tǒng)進行了濾波優(yōu)化，在Codec_SPK+和Codec_SPK-信號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，信號線對地添加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)干擾信號可順著連接器輻射出去，外部噪聲也會從連接器線纜傳導(dǎo)進系統(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系統(tǒng)，在語音Speaker 的信號線上串聯(lián)對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，對敏感信號Audio_SPK+和Audio_SPK-走線需做好隔離保護，臨層避免干擾源和敏感信號。

4.4 優(yōu)化后測試結(jié)果

經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化后復(fù)測電磁干擾RE 項目，相比之前超標的頻點有了明顯改善，而且所有測試頻點均通過門限值要求，如圖9所示。對比表2的RE 復(fù)測結(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TBOX 系統(tǒng)的開關(guān)電源通路語音芯片的電路濾波優(yōu)化后，整機TBOX 的EMI 測試得到了極大的優(yōu)化，并且RE 測試結(jié)果達到了預(yù)期的目的。針對濾波優(yōu)化后的原電路進行了EMC 的RE 和ALSE 等其他測試項目，測試結(jié)果均通過車載標準CISPR25 規(guī)范。

表2 RE 復(fù)測結(jié)果Table 2 Retest results of RE

5 結(jié) 語

本文對車聯(lián)網(wǎng)TBOX 語音系統(tǒng)的EMI 測試中RE 輻射噪聲進行了分析研究，結(jié)合原理圖對超標頻點的干擾源進行定位，并提出優(yōu)化設(shè)計和濾波方案，分別對開關(guān)電源和語音信號進行了共模、差模阻抗濾波，有針對性地對每路信號進行選值。經(jīng)過實驗室復(fù)測驗證了優(yōu)化方案能有效地抑制噪聲源，對后續(xù)類似的設(shè)計研究具有非常重大的意義。