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车载娱乐系统LVDS传输的EMC设计方案
随着汽车内部整合的安全和辅助电子设备的增加,汽车领域对高速互联的需求急剧增长,主要集中在用于驾驶支持的的视频系统和车载娱乐系统等（数字仪表、娱乐终端显示、行车记录仪、360环视摄像头、人眼疲劳检测、视频会议摄像头、手势识别摄像头、抬头显示）,这些应用要求高速数据传输,以满足图像传递的要求.正是这些需求的增长,带动LVDS产品在这些领域大规模使用.
1LVDS工作原理
LVDS（低压差分信号）是一种低摆幅的差分信号技术,它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mbps的速率传输,其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗.
这种模式固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干扰性,由于具有较高的信噪比,信号幅度可以降低到大约350mV,允许非常高的传输速率,见图2.
2 LVDS传输的优点
目前LVDS传输方式越来越多的被用于高速信号传输,与其他信号传输方式相比在高速数据传输性能方面具有比较明显的优势,具体体现在以下3个方面：
2.1速率高
LVDS信号通常具有范围在350mV-400mV之内的较小的逻辑幅值的摆动,这种小幅度的摆动有利于信号快速实现反转,从而具有很高的传输速率.
2.2噪声低
LVDS信号是低压差分信号,差分数据传输方式比单端数据传输对共模输入噪声有更强的抵抗能力,在两条差分信号线上,电流的方向、电压振幅相反,而接收器只关心两信号的差值,故噪声以共模方式同时耦合到两条线上时,能够被抵消,同时两条信号线周围的电磁场也相互抵消,因此,两条差分信号线比TTL单端信号传输的电磁辐射小得多.而且,恒流源驱动模式不易产生振铃和切换尖锋信号,进一步降低了噪声.
2.3功耗小
其他电路接口技术如GTL等电源电流会随着系统工作频率的增加而呈指数形式的增长,而LVDS驱动器的电流源恒定,其电源电流会一直保持平坦的状态,所以这种驱动模式很大程度的减小了功耗.以实际数值为例,假设负载端电阻为100Q,流经其的电流大小为3.5mA,通过功率的计算可知LVDS的功耗仅为1.2mW.而作为参照的GTL却有1V电压在负载电阻上,此时流经负载的电流为40mA,可得知负载的功耗高达40mW.
3 LVDS信号的EMC设计要点
3.1 LVDS信号的PCB设计要点
由LVDS信号的工作原理及特点可以看出：LVDS信号不仅是差分信号,而且还是高速数字信号,如果不对PCB走线进行严格的控制,很容易造成产品的EMI和EMS测试失效,影响产品的开发日程.
3 .1.1 需要采用多层板设计方案.由于LVDS信号属于高速信号,必须在相邻屡预留地平面桌作为LVDS信号的返回路径.
3.1.2对LVDS走线进行信号阻抗计算与控制.LVDS信号的电压摆幅只有350mV,适用于电流驱动的差分信号方式工作.为了确保信号在传输线当中传播时不受反射信号的影响,LVDS信号要求传输线阻抗受控,通常差分阻抗为(100&plun;10)0,图3为利用SI9000进行差分微带线的设计模式.
3.1.3 实施分段等长原则.这种方法可以加强差分线本体的平衡性,提升差分线的共模抑制比‘”.图4中对于LVDS差分线,除了从LVDS端口至芯片这一段要求等长外,也要求在端口与共模滤波器,共模滤波器与隔直电容,隔直电容与LVDS芯片端口之间的差分走线也要保证等长设计原则.
3.1.4 LVDS走线需要远离其他信号走线.由于LVDS属于高速信号,快速的上升下降沿会带有很多谐波干扰,如果其他信号距离LVDS信号线过近,不但会形成天线将LVDS的高频干扰辐射出去,还容易带来自身的信号完整性问题.对于图5中的长距离LVDS走线,如果条件允许,需要在LVDS线的两侧增加地孔,形成地栅保护,地孔之间的距离需要小于LVDS信号有效最高次谐长的1／10,这样的设计可以有效防止干扰信号帝来的EMI影响.
3.1.5 由于高速信号传输路径中,过孔不仅仅具有电气连接性,如果高速信号通过此过孔时,由于信号源阻抗和过孔阻抗不匹配,这将会造成信号反射嘲,甚至带来信号的抖动,所以车载产品中的LVDS的传输线需要走在PCB表层,如果走在内层,换层时的的过孔所带来的阻抗不连续会导致LVDS信号眼图的劣化,降低LVDS信号的抗扰能力.
3.1.6 LVDS信号需要避免跨分割走线.对于高速信号线,如果参考平面发生改变,会引起阻抗不匹配,导致信号传输过程中出现回波反射现象,当反射增大时不但造成LVDS信号眼图劣化,降低抗干扰能力,也会增加高次谐波的能量,引起新的EMI问题.
3.2 LVDS模块的布局
LVDS传输的发送端芯片和接收端芯片在产品的整体布局设计时,都要尽量优先将该模块放置在LVDS接口附近,这样可以保证LVDS输出或输入线最短.由于LVDS是一种高速低压信号,高频谐波分量的能量很高,较短的LVDS走线可以降低空间辐射能量,降低EMI失效风险.其次,虽然LVDS的差分走线形式具有很好的共模抑制特性,但是如果走线过长,会增加干扰信号耦合的机率,为了降低后期设计变更的影响,在前期设计时会优先将LVDS模块布局在端口附近.
3.3 LVDS接口设计
目前车载产品的LVDS接口主要有两种接口形式,一种是图6所示Mini USB接口形式,另一种是图7所示Rosenberge的HSD接口形式,在进行端口设计时我们只会使用其中一对差分管脚,对于其他管脚要进行接地处理.如果不进行接地处理,外部LVDS传输线内的多余线束会成为一根天线,将外部的干扰耦合在LVDS传输线上,对LVDS信号造成干扰.选取一台采用LVDS连接主机与前屏的车载娱乐系统进行ESD测试对比,在将MiniUSB接口中空置的管脚悬空处理时发现,该娱乐系统在进行&plun;4kV的耦合放电时会出现屏幕抖屏现象,无法满足通用的EMC测试标准需求.在将Mini USB接口的空置管脚进行接地处理后,耦合放电未发现问题.
3.4 LVDS传输线的选择
由于LVDS是高速信号线,所以车载产品中连接主机和显示屏的LVDS的线束选择也会影响产品的EMC性能.在选择LVDS线束时不光要关注ioon的阻抗匹配参数,还要关注LVDS线束的插入损耗曲线.图8所示,LVDS线束2在低于4G频率段的插入损耗与LVDS线束1最大相差了6~7dB,当远距离传输时这样的插入损耗差异已经能够严重影响到LVDS信号的抗扰性能.
分别采用1. 5m长的LVDS线束1和LVDS线束2连接相同的娱乐主机和显示屏进行1GHz一3GHz范围内的lOOV/m的辐射抗扰测试,在使用LVDS线束2时,在1990MHz-2280MHz,2360MHz-2660MHz频段会出现黑屏现象,在更换LVDS线束1后该现象消失,这个比对实验说明了在进行LVDS整体传输设计时需要整体考虑产品的频率特性需求,不单单要保证LVDS模块自身的工作性能,还要采用合适的传输线进行信号传输才能得到良好的EMC性能.
4结语
对于日益增多的人机对话界面,LVDS传输被越来越多的应用在车载电子系统的设计当中,由于它的高速低压特性,在整个电子设计中EMC设计成为重要的一环,为了保证产品的开发进度,必须在设计初期就要全面考虑LVDS模块的EMC设计方案,提高设计验证的一次通过率.
设计方案论文范文结:
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