一款多功能旋鈕開關的EMC和低功耗設計

摘 要：從產品硬件電路方面入手，講述多功能旋鈕式開關的EMC設計方法;從軟、硬件設計兩方面出發，講述低功耗設計方法。

關鍵詞：EMC;低功耗;設計方法

EMC（Electro Magnetic Compatibility）是電磁兼容的英文縮寫，EMC包含兩大項EMI（干擾）和EMS（敏感度，抗擾度）。EMI（干擾）是指電器在正常運行過程中，對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值;EMS（敏感度，抗擾度）是指電器對所在環境中存在的電磁干擾，具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

隨著汽車智能化，電器化程度不斷增加。由于汽車電器件之間會有不同信號的交互，如電源、CAN總線、LIN總線、高低電平信號、傳感器信號等等。導致整車的電氣環境較為復雜，為保證電器件的在這種環境中正常可靠的運行，須在產品設計階段解決EMC問題。

多功能旋鈕開關是多媒體顯示的控制面板，為多媒體顯示提供動作信號，點火關閉后，由電瓶提供電源，因此在OFF檔時需考慮低功耗設計，低功耗電流小于1mA。可操作的按鈕有按鍵、旋鈕（可上、下、左、右平移，左、右旋轉，按壓）。主控芯片采用8位帶CAN總線接口的微控制器PIC18F25K83，系統總線時鐘工作頻率64MHz。整個系統主要由電源電路、按鍵接口電路、CAN接口電路、編碼器信號采集電路、位置傳感器電路、復位電路、電源濾波電路等組成。本開關EMC設計從述硬件電路的EMC設計方面講述;低功耗從硬件電路和軟件兩方面講述。

1 多媒體旋鈕開關的EMC設計

硬件部分從產品連接方面可分為對外接口和內部工作電路兩部分，從兩方面分別入手進行電路設計，接口電路防護主要用來隔離內外之間的干擾，達到阻斷的目的;內部電路防護主要有兩方面的作用，一是提高電路自身的抗干擾能力，二是減少電路對外輻射的產生。從而提高系統運行可靠性。

1.1 電源電路的EMC設計

在點火開關在ACC或ON檔時，系統處于正常工作模式。當收到休眠指令或者點火開關在OFF檔，進入休眠狀態。

電源部分有1路12V輸入，兩個LDO輸出組成，兩路轉換電路處理方式相同。MEC處理電路如圖2所示：TVS管作為ESD和防浪涌保護，電容C1，C2濾波，自復位保險F1用作過電流保護，電感L1、L2和電容C3組成T型濾波器過濾掉電源噪聲。如圖2所示。

1.2 CAN總線EMC設計

CAN總線由CAN_H和CAN_L差分電平信號進行數據傳輸，具有顯性和隱性兩種邏輯狀態。當CAN_H和CAN_L壓差為0為隱性狀態，當兩者壓差大于2V，為顯性狀態。EMC處理電路如圖3所示，共模濾波器L3、電阻R2、R4、電容C5，ESD保護器U2，組成EMI和EMS防護電路。

1.3 背光電路的設計

背光電路中串接一個二極管和TVS管，TVS管對靜電高能脈沖進行泄放和抑制電磁騷擾電流，二極管用來抑制反向浪涌電流。

1.4 電源去耦

微處理器系統時鐘工作在64MHz，內部各外設模塊工作電源均取自芯片的電源引腳，這樣芯片內部復雜的電磁波也可能通過電源引腳向外傳播。因此在芯片電源供電正負引腳之間增加如圖5所示去耦電路，提供芯片工作穩定性。其中大電容E8起穩壓作用，小電量電容C13起高頻旁路的作用。

1.5 復位電路抗干擾

芯片復位監控如果受到干擾，會直接導致系統工作出現異常，影響到整個系統的穩定性。提高復位電路的靜態工作電流，增加復位信號尖峰濾波電容，復位電路如圖6，R17為復位負載電阻，C11為濾波電容，通過調整這2個器件的參數，可以提高復位信號的抗干擾能力。

1.6 晶振電路的設計

單片機為時序電路芯片，晶體振蕩電路作為時鐘源，應嚴格按照芯片廠家推薦的電路，結合晶振的參數進行設計。晶振電路如圖7所示。電容C12、C14為振蕩電路的負載電容，通過調整其值，可以使晶振工作在諧振頻率的最佳點;以提高系統的EMC性能。

1.7 按鍵及編碼器識別電路的設計

EMC處理電路如圖8所示。偏置電阻使電路對低電平有效，電阻R1和C1組成濾波器，避免電路干擾。

1.8 磁傳感器電路的設計

微控制器與磁傳感器通過SPI進行通訊，在線上串聯22歐姆電阻，減少數據傳輸過程中的反射和振蕩。

1.9 PCB的EMC設計遵循原則

1）參照原理功能框圖，基于信號流布局，各功能模塊電路分開放置;

2）數字電路與模擬電路、高速電路與低速電路、干擾源與敏感電路分開布局;

3）敏感信號、強輻射信號回路面積最小;

4）盡可能減少過孔，走線阻抗最低，優先采用表貼器件。

2 低功耗設計

高性能低功耗作為電子技術發展的方向，車輛在OFF檔時由蓄電池供電，各電器件耗電量越小，車輛的待機時間越長，因此根據整車耗電量，給需在OFF檔工作的各電器零部件分配一定耗電量，該系統在OFF檔分配耗電量為小于1mA。

2.1 硬件低功耗設計

硬件方案的選擇，會影響到整個產品的功耗是否能降到目標功耗的關鍵因素之一。

本開關使用兩個有使能功能的LDO供電，其中一個LDO供電為常電狀態，為MCU和CAN模塊供電，供喚醒功能使用;另外一個LDO使能引腳由MCU控制，為按鍵、位置傳感器、編碼器等其他電路供電，在進入休眠之前首先關閉該LDO使能端，除MCU+CAN外的其它模塊全部斷電，只有LDO的關斷電流消耗。這樣設計保證產品在低功耗模式前，關閉多余的耗電電路，只保留喚醒功能。LDO采用TPS7882，電流消耗為7uA。

2.2 軟件低功耗設計

收到休眠指令或者超過5s鐘未收到總線信號，需進入休眠模式將產品功耗降為最低。作為整個產品的大腦，MCU的功耗通常較大，并且對系統功耗的影響也最大，在休眠模式下，軟件代碼不執行，因此必須在MCU完全配置完成之后，才能通過休眠指令使MCU休眠。

MCU上不使用的其他外設模塊關閉，未使用的IO端口配置為低狀態，看門狗和欠壓復位配置關閉，配置MCU和CAN進入休眠待喚醒模式。

在PIC18F25K83芯片內部包含一個LDO，可以讓IO口使用最高5.5v高電壓，而內部使用較低電壓工作。那么LDO肯定會消耗一定電流。通過將VREGPM位置位可以優化進入休眠模式的消耗電流，進一步減小電流消耗。具體進入休眠模式的代碼如下：

LATA = 0X18;TRISA = 0xC0;ANSELA = 0XC0;LATB = 0XC0;LATB = 0XC0;

TRISB = 0x00;ANSELB = 0X00;LATC = 0X00;TRISC = 0x80;ANSELC = 0X00;INTCON0bits.GIE = 1;INTCON0bits.IPEN = 0;U1CON0bits.RXEN = 1;U1CON1bits.WUE = 1;PIE3bits.U1IE = 1;VREGPM = 1;SLEEP（）;

NOP（）;NOP（）;

2.3 測試結果

3 結語

根據以上設計多功能旋鈕開關在EMC試驗中，一次性通過了按照GB 34660-2017的9項測試;低功耗模式下，消耗電流793.1uA，達到預期目標。本文所提及的方法在此僅提供參考，在實際應用中請根據產品特性進行選型和設計。

參考文獻：

[1]Paul，C.R.著，聞映紅譯.電磁兼容導論[M].機械工業出版社，2006.

[2]鄭軍奇.EMC電磁兼容設計與測試案例分析[M].電子工業出版社，2006.

[3]黃志偉.低功耗系統設計[M].電子工業出版社，2011.

作者簡介：溫偉（1983-），男，山西大同人，本科，工程師，主要從事汽車電子開關軟、硬件設計工作。