一款多功能旋钮开关的EMC和低功耗设计

摘 要：从产品硬件电路方面入手，讲述多功能旋钮式开关的EMC设计方法;从软、硬件设计两方面出发，讲述低功耗设计方法。

关键词：EMC;低功耗;设计方法

EMC（Electro Magnetic Compatibility）是电磁兼容的英文缩写，EMC包含两大项EMI（干扰）和EMS（敏感度，抗扰度）。EMI（干扰）是指电器在正常运行过程中，对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;EMS（敏感度，抗扰度）是指电器对所在环境中存在的电磁干扰，具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。

随着汽车智能化，电器化程度不断增加。由于汽车电器件之间会有不同信号的交互，如电源、CAN总线、LIN总线、高低电平信号、传感器信号等等。导致整车的电气环境较为复杂，为保证电器件的在这种环境中正常可靠的运行，须在产品设计阶段解决EMC问题。

多功能旋钮开关是多媒体显示的控制面板，为多媒体显示提供动作信号，点火关闭后，由电瓶提供电源，因此在OFF档时需考虑低功耗设计，低功耗电流小于1mA。可操作的按钮有按键、旋钮（可上、下、左、右平移，左、右旋转，按压）。主控芯片采用8位带CAN总线接口的微控制器PIC18F25K83，系统总线时钟工作频率64MHz。整个系统主要由电源电路、按键接口电路、CAN接口电路、编码器信号采集电路、位置传感器电路、复位电路、电源滤波电路等组成。本开关EMC设计从述硬件电路的EMC设计方面讲述;低功耗从硬件电路和软件两方面讲述。

1 多媒体旋钮开关的EMC设计

硬件部分从产品连接方面可分为对外接口和内部工作电路两部分，从两方面分别入手进行电路设计，接口电路防护主要用来隔离内外之间的干扰，达到阻断的目的;内部电路防护主要有两方面的作用，一是提高电路自身的抗干扰能力，二是减少电路对外辐射的产生。从而提高系统运行可靠性。

1.1 电源电路的EMC设计

在点火开关在ACC或ON档时，系统处于正常工作模式。当收到休眠指令或者点火开关在OFF档，进入休眠状态。

电源部分有1路12V输入，两个LDO输出组成，两路转换电路处理方式相同。MEC处理电路如图2所示：TVS管作为ESD和防浪涌保护，电容C1，C2滤波，自复位保险F1用作过电流保护，电感L1、L2和电容C3组成T型滤波器过滤掉电源噪声。如图2所示。

1.2 CAN总线EMC设计

CAN总线由CAN_H和CAN_L差分电平信号进行数据传输，具有显性和隐性两种逻辑状态。当CAN_H和CAN_L压差为0为隐性状态，当两者压差大于2V，为显性状态。EMC处理电路如图3所示，共模滤波器L3、电阻R2、R4、电容C5，ESD保护器U2，组成EMI和EMS防护电路。

1.3 背光电路的设计

背光电路中串接一个二极管和TVS管，TVS管对静电高能脉冲进行泄放和抑制电磁骚扰电流，二极管用来抑制反向浪涌电流。

1.4 电源去耦

微处理器系统时钟工作在64MHz，内部各外设模块工作电源均取自芯片的电源引脚，这样芯片内部复杂的电磁波也可能通过电源引脚向外传播。因此在芯片电源供电正负引脚之间增加如图5所示去耦电路，提供芯片工作稳定性。其中大電容E8起稳压作用，小电量电容C13起高频旁路的作用。

1.5 复位电路抗干扰

芯片复位监控如果受到干扰，会直接导致系统工作出现异常，影响到整个系统的稳定性。提高复位电路的静态工作电流，增加复位信号尖峰滤波电容，复位电路如图6，R17为复位负载电阻，C11为滤波电容，通过调整这2个器件的参数，可以提高复位信号的抗干扰能力。

1.6 晶振电路的设计

单片机为时序电路芯片，晶体振荡电路作为时钟源，应严格按照芯片厂家推荐的电路，结合晶振的参数进行设计。晶振电路如图7所示。电容C12、C14为振荡电路的负载电容，通过调整其值，可以使晶振工作在谐振频率的最佳点;以提高系统的EMC性能。

1.7 按键及编码器识别电路的设计

EMC处理电路如图8所示。偏置电阻使电路对低电平有效，电阻R1和C1组成滤波器，避免电路干扰。

1.8 磁传感器电路的设计

微控制器与磁传感器通过SPI进行通讯，在线上串联22欧姆电阻，减少数据传输过程中的反射和振荡。

1.9 PCB的EMC设计遵循原则

1）参照原理功能框图，基于信号流布局，各功能模块电路分开放置;

2）数字电路与模拟电路、高速电路与低速电路、干扰源与敏感电路分开布局;

3）敏感信号、强辐射信号回路面积最小;

4）尽可能减少过孔，走线阻抗最低，优先采用表贴器件。

2 低功耗设计

高性能低功耗作为电子技术发展的方向，车辆在OFF档时由蓄电池供电，各电器件耗电量越小，车辆的待机时间越长，因此根据整车耗电量，给需在OFF档工作的各电器零部件分配一定耗电量，该系统在OFF档分配耗电量为小于1mA。

2.1 硬件低功耗设计

硬件方案的选择，会影响到整个产品的功耗是否能降到目标功耗的关键因素之一。

本开关使用两个有使能功能的LDO供电，其中一个LDO供电为常电状态，为MCU和CAN模块供电，供唤醒功能使用;另外一个LDO使能引脚由MCU控制，为按键、位置传感器、编码器等其他电路供电，在进入休眠之前首先关闭该LDO使能端，除MCU+CAN外的其它模块全部断电，只有LDO的关断电流消耗。这样设计保证产品在低功耗模式前，关闭多余的耗电电路，只保留唤醒功能。LDO采用TPS7882，电流消耗为7uA。

2.2 软件低功耗设计

收到休眠指令或者超过5s钟未收到总线信号，需进入休眠模式将产品功耗降为最低。作为整个产品的大脑，MCU的功耗通常较大，并且对系统功耗的影响也最大，在休眠模式下，软件代码不执行，因此必须在MCU完全配置完成之后，才能通过休眠指令使MCU休眠。

MCU上不使用的其他外设模块关闭，未使用的IO端口配置为低状态，看门狗和欠压复位配置关闭，配置MCU和CAN进入休眠待唤醒模式。

在PIC18F25K83芯片内部包含一个LDO，可以让IO口使用最高5.5v高电压，而内部使用较低电压工作。那么LDO肯定会消耗一定电流。通过将VREGPM位置位可以优化进入休眠模式的消耗电流，进一步减小电流消耗。具体进入休眠模式的代码如下：

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 測试结果

3 结语

根据以上设计多功能旋钮开关在EMC试验中，一次性通过了按照GB 34660-2017的9项测试;低功耗模式下，消耗电流793.1uA，达到预期目标。本文所提及的方法在此仅提供参考，在实际应用中请根据产品特性进行选型和设计。

参考文献：

[1]Paul，C.R.著，闻映红译.电磁兼容导论[M].机械工业出版社，2006.

[2]郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析[M].电子工业出版社，2006.

[3]黄志伟.低功耗系统设计[M].电子工业出版社，2011.

作者简介：温伟（1983-），男，山西大同人，本科，工程师，主要从事汽车电子开关软、硬件设计工作。