車載娛樂系統LVDS傳輸的EMC設計方案研究

岳鋼

延鋒偉世通電子科技（上海）有限公司 上海市 200233

隨著汽車內部整合的安全和輔助電子設備的增加，汽車領域對高速互聯的需求急劇增長，主要集中在用于駕駛支持的的視頻系統和車載娛樂系統等（數字儀表、娛樂終端顯示、行車記錄儀、360環視攝像頭、人眼疲勞檢測、視頻會議攝像頭、手勢識別攝像頭、抬頭顯示），這些應用要求高速數據傳輸，以滿足圖像傳遞的要求。正是這些需求的增長，帶動LVDS產品在這些領域大規模使用。

1 LVDS工作原理

LVDS（低壓差分信號）是一種低擺幅的差分信號技術，它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以幾百Mbps的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅動輸出實現了低噪聲和低功耗。

這種模式固有的共模抑制能力提供了高水平的抗干擾性，由于具有較高的信噪比，信號幅度可以降低到大約350mV，允許非常高的傳輸速率，見圖2。

圖1 LVDS在車載系統上的應用框圖

圖2 LVDS工作原理圖

2 LVDS傳輸的優點

目前LVDS傳輸方式越來越多的被用于高速信號傳輸，與其他信號傳輸方式相比在高速數據傳輸性能方面具有比較明顯的優勢，具體體現在以下3個方面：

2.1 速率高

LVDS信號通常具有范圍在350mV-400mV之內的較小的邏輯幅值的擺動，這種小幅度的擺動有利于信號快速實現反轉，從而具有很高的傳輸速率。

2.2 噪聲低

LVDS信號是低壓差分信號，差分數據傳輸方式比單端數據傳輸對共模輸入噪聲有更強的抵抗能力，在兩條差分信號線上，電流的方向、電壓振幅相反，而接收器只關心兩信號的差值，故噪聲以共模方式同時耦合到兩條線上時，能夠被抵消，同時兩條信號線周圍的電磁場也相互抵消，因此，兩條差分信號線比TTL單端信號傳輸的電磁輻射小得多。而且，恒流源驅動模式不易產生振鈴和切換尖鋒信號，進一步降低了噪聲。

2.3 功耗小

其他電路接口技術如GTL等電源電流會隨著系統工作頻率的增加而呈指數形式的增長，而LVDS驅動器的電流源恒定，其電源電流會一直保持平坦的狀態，所以這種驅動模式很大程度的減小了功耗。以實際數值為例，假設負載端電阻為100Ω，流經其的電流大小為3.5mA，通過功率的計算可知LVDS的功耗僅為1.2mW。而作為參照的GTL卻有1V電壓在負載電阻上，此時流經負載的電流為40mA，可得知負載的功耗高達40mW。

3 LVDS信號的EMC設計要點

3.1 LVDS信號的PCB設計要點

由LVDS信號的工作原理及特點可以看出：LVDS信號不僅是差分信號，而且還是高速數字信號，如果不對PCB走線進行嚴格的控制，很容易造成產品的EMI和EMS測試失效，影響產品的開發日程。

3.1.1 需要采用多層板設計方案。由于LVDS信號屬于高速信號，必須在相鄰層預留地平面來作為LVDS信號的返回路徑。

圖3 緊耦合差分微帶線阻抗計算模型

3.1.2 對LVDS走線進行信號阻抗計算與控制。LVDS信號的電壓擺幅只有350mV，適用于電流驅動的差分信號方式工作。為了確保信號在傳輸線當中傳播時不受反射信號的影響，LVDS信號要求傳輸線阻抗受控，通常差分阻抗為（100±10）Ω，圖3為利用SI9000進行差分微帶線的設計模式。

3.1.3 實施分段等長原則。這種方法可以加強差分線本體的平衡性，提升差分線的共模抑制比[1]。圖4中對于LVDS差分線，除了從LVDS端口至芯片這一段要求等長外，也要求在端口與共模濾波器，共模濾波器與隔直電容，隔直電容與LVDS芯片端口之間的差分走線也要保證等長設計原則。

圖4 LVDS的分段等長設計

3.1.4 LVDS走線需要遠離其他信號走線。由于LVDS屬于高速信號，快速的上升下降沿會帶有很多諧波干擾，如果其他信號距離LVDS信號線過近，不但會形成天線將LVDS的高頻干擾輻射出去，還容易帶來自身的信號完整性問題。對于圖5中的長距離LVDS走線，如果條件允許，需要在LVDS線的兩側增加地孔，形成地柵保護，地孔之間的距離需要小于LVDS信號有效最高次諧波波長的1/10，這樣的設計可以有效防止干擾信號帶來的EMI影響。

圖5 LVDS走線的地柵保護

3.1.5 由于高速信號傳輸路徑中，過孔不僅僅具有電氣連接性，如果高速信號通過此過孔時，由于信號源阻抗和過孔阻抗不匹配，這將會造成信號反射[4]，甚至帶來信號的抖動，所以車載產品中的LVDS的傳輸線需要走在PCB表層，如果走在內層，換層時的的過孔所帶來的阻抗不連續會導致LVDS信號眼圖的劣化，降低LVDS信號的抗擾能力。

3.1.6 LVDS信號需要避免跨分割走線。

對于高速信號線，如果參考平面發生改變，會引起阻抗不匹配，導致信號傳輸過程中出現回波反射現象，當反射增大時不但造成LVDS信號眼圖劣化，降低抗干擾能力，也會增加高次諧波的能量，引起新的EMI問題。

3.2 LVDS模塊的布局

LVDS傳輸的發送端芯片和接收端芯片在產品的整體布局設計時，都要盡量優先將該模塊放置在LVDS接口附近，這樣可以保證LVDS輸出或輸入線最短。由于LVDS是一種高速低壓信號，高頻諧波分量的能量很高，較短的LVDS走線可以降低空間輻射能量，降低EMI失效風險。其次，雖然LVDS的差分走線形式具有很好的共模抑制特性，但是如果走線過長，會增加干擾信號耦合的機率，為了降低后期設計變更的影響，在前期設計時會優先將LVDS模塊布局在端口附近。

3.3 LVDS接口設計

目前車載產品的LVDS接口主要有兩種接口形式，一種是圖6所示Mini USB接口形式，另一種是圖7所示Rosenberge的HSD接口形式，在進行端口設計時我們只會使用其中一對差分管腳，對于其他管腳要進行接地處理。如果不進行接地處理，外部LVDS傳輸線內的多余線束會成為一根天線，將外部的干擾耦合在LVDS傳輸線上，對LVDS信號造成干擾。選取一臺采用LVDS連接主機與前屏的車載娛樂系統進行ESD測試對比，在將Mini USB接口中空置的管腳懸空處理時發現，該娛樂系統在進行±4kV的耦合放電時會出現屏幕抖屏現象，無法滿足通用的EMC測試標準需求。在將Mini USB接口的空置管腳進行接地處理后，耦合放電未發現問題。

圖6 Mini USB端口的設計方案

圖7 HSD端口的設計方案

圖8 LVDS線束插入損耗對比圖

3.4 LVDS傳輸線的選擇

由于LVDS是高速信號線，所以車載產品中連接主機和顯示屏的LVDS的線束選擇也會影響產品的EMC性能。在選擇LVDS線束時不光要關注100Ω的阻抗匹配參數，還要關注LVDS線束的插入損耗曲線。圖8所示，LVDS線束2在低于4G頻率段的插入損耗與LVDS線束1最大相差了6~7dB，當遠距離傳輸時這樣的插入損耗差異已經能夠嚴重影響到LVDS信號的抗擾性能。

分別采用1.5m長的LVDS線束1和LVDS線束2連接相同的娛樂主機和顯示屏進行1GHz～3GHz范圍內的100V/m的輻射抗擾測試，在使用LVDS線束2時，在1990MHz-2280MHz，2360MHz-2660MHz頻段會出現黑屏現象，在更換LVDS線束1后該現象消失，這個比對實驗說明了在進行LVDS整體傳輸設計時需要整體考慮產品的頻率特性需求，不單單要保證LVDS模塊自身的工作性能，還要采用合適的傳輸線進行信號傳輸才能得到良好的EMC性能。

4 結語

對于日益增多的人機對話界面，LVDS傳輸被越來越多的應用在車載電子系統的設計當中，由于它的高速低壓特性，在整個電子設計中EMC設計成為重要的一環，為了保證產品的開發進度，必須在設計初期就要全面考慮LVDS模塊的EMC設計方案，提高設計驗證的一次通過率。