车联网系统中语音电路EMI滤波设计和优化

李静元

（陕西师范大学，陕西 西安 710119）

0 引 言

随着汽车信息化普及程度越来越高，车载通信产品的应用也越来越多，车联网系统中最重要的模块即TBOX 系统，承载着车辆的通信信息和影音娱乐功能，对于汽车的智能化应用起着非常重要的作用。但是车载类产品和普通的电子产品最明显的差异是工作环境和空间干扰复杂化，车载工作环境温度极高，电子器件的抗干扰能力和性能要求都需要符合汽车行业标准。

车联网TBOX 系统中语音部分电路的设计必须要严格按照汽车级的CISPR25 标准规范来进行，语音的电磁兼容设计也是TBOX 的EMC 辐射骚扰测试的难点[1]。本文研究了车联网TBOX 系统中语音电路的EMI 设计优化方案，并根据实验结果进行分析，提出了有效抑制EMI 的具体措施，对车联网系统中EMI 的优化方案有重要指导意义。

1 车联网TBOX系统架构

车联网TBOX 系统主要完成汽车通信和影音娱乐等功能，通过40PIN 的连接器和车载部件相连，主要接口有扬声器、CAN 总线、麦克风、蓄电池以及控制信号等，如图1所示。汽车蓄电池作为电源输入给车联网TBOX 供电，TBOX 信号指令通过CAN 总线控制汽车相关功能。

车联网TBOX 的语音信号通过连接器和扬声器互连，语音部分存在的干扰[2-3]主要分以下三种：

1）传导干扰：连接器接口SPK 信号线传导进入TBOX 的干扰信号。

2）辐射干扰：播放音乐或车内通话时语音电路对外的辐射干扰。

3）线间干扰：临近信号线对SPK 信号线的干扰，对PCB 走线屏蔽要求较高。

图1 车联网TBOX 系统框图Fig.1 Block diagram for TBOX system of vehicle network

针对这三种主要干扰源，在TBOX 设计初期就应考虑各模块之间的电磁兼容性能测试要求，避免系统工作时造成语音通话质量差和影响整车EMC 测试。

2 系统测试方案和设计

车联网系统电磁兼容性测试和传统电子产品测试不同，需要满足汽车级的CISPR25 规范要求，TBOX 进行EMI 测试时需要所有功能都工作，并且设备需要放到暗室内封闭起来[4-6]。综测仪选用CMW500 型号，保证TBOX 的射频部分和基站保持持续通话，CAN 总线用软件模拟持续发送数据，Speaker 持续循环播放语音，现场测试布置图如图2所示。

图2 测试布置图Fig.2 Scene of testing layout

TBOX 的原理图设计如图3所示，PMIC 为电源主芯片，输入电源为5 V，可配置输出系统其他部分需要的电源；语音芯片选用TLV320AIC3100 型号，通过I2C 和I2S 配置控制输出状态；基带芯片Baseband 完成和基带相关的部分功能；MCU 完成TBOX 和汽车CAN 总线通信的相关功能。

图3 TBOX 原理图Fig.3 Schematic diagram of TBOX

3 测试结果分析

由于测试中发现电磁干扰EMI 中超标最为严重的项目为RE 的低频0.15 kHz～30 MHz，所以重点研究RE低频测试项不合格的优化方案。按照汽车级测试规范CISPR25 进 行 RE 低频 测试结果如 图4所示[7]。

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

参照规范门限值发现超标频点比较多，主要集中低频的 1.485 MHz，5.94 MHz 和 6.09 MHz，不合格测试频点如表1所示。

表1 RE 不合格测试项Table 1 Unqualified testing frequency points of RE

根据超标的频点结合TBOX 系统原理图分析，因为语音芯片为D 类功放，芯片内部倍频器（PLL）时钟和TBOX 电路板上的DC-DC 电源开关频率工作时会对电磁辐射结果造成影响。语音芯片需要通过PLL 倍频技术为内部的ADC 和DAC 提供需要的时钟频率见图5。

图5 Codec 语音系统PLL 倍频框图Fig.5 Block diagram of PLL frequency doubling of Codec phonetic system

PLL 输入时钟为 MCLK，也可使用 BCLK、GPIO1 和DIN 作为输入源，通过配置寄存器来实现切换PLL 倍频的输入源。本文选择MCLK 作为外部输入时钟，输入源频率为150 kHz，通过倍频后Codec 内部会存在多个倍频点的频率。语音系统内部的ADC 和DAC 所需时钟计算如下，通过配置语音芯片内部寄存器可配置出DAC和ADC 所需的多个频点值，保证语音功能正常使用。

TBOX 的语音系统输入电源通过汽车电瓶输入12 V电压，然后经过两级DC-DC 电源芯片降压后得到系统所需各路电压，语音系统主要电压输入为3.3 V 的AVDD 和 5 V 的 SPK_VDD 两路电压，1.8 V 的 IOVDD 通过PMIC 的LDO 供电。LDO 工作原理上比开关电源DCDC 要小得多，所以语音的电源噪声重点关注3.3 V 和5 V 两个电源轨辐射干扰。

4 设计改进和优化

电磁干扰测试项RE 主要测试目的是设备工作时的辐射干扰，想要解决超标频点问题需要从源头上抑制干扰源，这就必须想办法解决D 类功放工作时对外的辐射干扰和电源开关频率工作时的辐射噪声，通过分析研究后对原理图中语音设计部分进行三处优化：开关电源通路优化、语音滤波优化和系统I/O 接口滤波优化[3，8-9]。

4.1 开关电源通路优化

开关电源产生电磁干扰最根本的原因就是其在工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源，其谐波和倍频会成为EMI测试中的干扰源。为了抑制开关电源的干扰问题，采用在电源输入和电源输出根据实际情况并联退耦电容，最好选择ESR 比较小的陶瓷电容效果佳，电容值选择根据截止频率来计算，电容的耐压值要高于最大电压值。改进后的电源模块原理图如图6所示。

DC-DC 的输出和PMIC 的输入引脚要尽可能靠近走线。Codec 芯片TLV320AIC3100 的电源输入源是DCDC 和PMIC，存在干扰带进系统的可能性，所以在电源输入引脚要添加大电容和小电容进行滤波，尽可能让输入电源干净。

4.2 语音滤波优化

语音芯片内部倍频会产生多个频率时钟提供给DAC 和ADC 模块使用，同时时钟信号也会成为Codec 的内部干扰源从SPK 的信号线辐射出来。根据频点范围对语音系统进行了滤波优化，在Codec_SPK+和Codec_SPK-信号出芯片后就近摆放共模滤波器件G2，并且PCB 走线要尽可能短，最佳滤除共模噪声，信号线对地添加33 pF 电容组成π 型网络滤除传导低频干扰，把共模噪声引到共模地消除干扰。靠近连接器侧信号线间增加33 pF 电容滤除差模干扰。

4.3 系统I/O接口滤波优化

系统I/O 连接器是车联网TBOX 和汽车其他部件的通信接口，也是最容易干扰和被干扰的途径，TBOX 系统内干扰信号可顺着连接器辐射出去，外部噪声也会从连接器线缆传导进系统，因此连接器I/O 接口的滤波优化也尤为重要。

在电瓶信号KL30_12 V 上串联阻抗为120 Ω 的磁珠抑制外部供电的噪声进系统，在语音Speaker 的信号线上串联对6 MHz 频率滤波效果好的磁珠抑制辐射传导噪声，如图8所示。

在PCB 布局中磁珠摆放要靠近连接器引脚效果最佳，对敏感信号Audio_SPK+和Audio_SPK-走线需做好隔离保护，临层避免干扰源和敏感信号。

4.4 优化后测试结果

经过设计优化后复测电磁干扰RE 项目，相比之前超标的频点有了明显改善，而且所有测试频点均通过门限值要求，如图9所示。对比表2的RE 复测结果可以看出优化效果非常显著，留出的裕度也很宽，6.18 MHz 的裕度为3.9 MHz。

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

通过对TBOX 系统的开关电源通路语音芯片的电路滤波优化后，整机TBOX 的EMI 测试得到了极大的优化，并且RE 测试结果达到了预期的目的。针对滤波优化后的原电路进行了EMC 的RE 和ALSE 等其他测试项目，测试结果均通过车载标准CISPR25 规范。

表2 RE 复测结果Table 2 Retest results of RE

5 结 语

本文对车联网TBOX 语音系统的EMI 测试中RE 辐射噪声进行了分析研究，结合原理图对超标频点的干扰源进行定位，并提出优化设计和滤波方案，分别对开关电源和语音信号进行了共模、差模阻抗滤波，有针对性地对每路信号进行选值。经过实验室复测验证了优化方案能有效地抑制噪声源，对后续类似的设计研究具有非常重大的意义。