從EMC問題出發設計MCU(一)
發布時間:2013-03-10 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】由於電子係統的EMC設計中最主要的是微處理器的設計,本文從電子係統中的EMC問題出發,分析和總結了噪聲的產生機理並提出消除噪聲的方法。對以MCU應用設計發展具有重要的實踐意義。
在概念上,電磁兼容性(EMC)包含係統本身的電磁敏感性(EMS)以及電磁雜音發射(EME)兩個部分。EME描述的是器件在測試(DUT)的情況下是噪聲源,而EMS描述的是器件在 DUT的情況下是噪聲受害者。在大多數係統設計中,EMC變bian得de越yue來lai越yue重zhong要yao。如ru果guo設she計ji的de係xi統tong不bu幹gan擾rao其qi它ta係xi統tong,也ye不bu受shou其qi它ta係xi統tong發fa射she影ying響xiang,並bing且qie不bu會hui幹gan擾rao係xi統tong自zi身shen,那na麼me所suo設she計ji的de係xi統tong就jiu是shi電dian磁ci兼jian容rong的de。
在電磁兼容設計中,“受害方”的概念通常指那些由於設計缺乏EMC考慮而受到影響的部件受害部件可能在基於MCU的PCB或者模組的內部,也可能是外部係統通常的受害部件是汽車免持鑰匙入車(Keyless-Entry)模組中的寬帶接收器或者是車庫門開啟裝置接收器,由於接收到MCU發出的足夠強的雜訊,這些模組中的接收器會誤認為接收到了一個遙控信號。
從長遠角度來看,電磁環境噪聲在一個給定的空間內是增長的,如圖1曲qu線xian所suo示shi,當dang在zai電dian子zi設she備bei的de抗kang幹gan擾rao性xing高gao於yu電dian磁ci環huan境jing噪zao聲sheng任ren何he點dian時shi,電dian子zi設she備bei的de功gong能neng都dou不bu將jiang受shou影ying響xiang,遺yi憾han的de是shi,現xian在zai電dian子zi係xi統tong大da部bu分fen具ju有you較jiao高gao的de工gong作zuo頻pin率lv和he較jiao低di的de電dian平ping開kai關guan門men限xian(由於較低工作電源),防噪聲能力逐漸下降,如圖1中的曲線2。

圖1:環境噪聲長遠發展趨勢
MCU中存在的EMC
MCU一般包括通用型和專用型兩類,大部分都采用了各種不同形式的EMC技術,其中在用戶端無任何措施的情況下,有些技術是還是有效的,其它則需要適當的留心PCB設計。因此可以說,雜訊來源主要有兩部分∶MCU的內部噪聲,MCU傳播到外麵的噪聲。
MCU內部存在四種主要的噪聲源∶內部彙流排和節點同步開關產生的電源和地線上的電流;輸出管腳信號的變換;振蕩器工作產生的雜訊;開關電容負載產生的片上信號假像。根據經驗,實際應用中高頻率的窄帶雜訊比寬帶雜音能耗高,所以以下主要介紹窄帶雜訊。
主要噪聲源
除AD轉換器、振蕩器和I/Oring之外,所有內部邏輯被列為內核。典型的內核和外部引腳是沒有關聯的,但電源引腳除外。例如,在圖2中內核包含CPU、鎖相環、程序記憶體、RAM及周邊器件包括CAN記憶體。I/Oring包括帶有埠緩衝的電源和地麵通道係統以及保護電路。所以,大多數MCU的I/Oring電源和內核電源是分開的。

圖2:典型的MCU布局
(1)振蕩器
當涉及到時鍾和窄帶雜訊,大家自然而然地就會想到振蕩器。圖3顯示了NEC公司典型MCU的石英振蕩器信號X1和X2的措施。雖然信號不是完全的正弦波形,但比較接近。事實上,根據頻譜分析僅能表示少數一些諧波。此外,和MCU的總功耗相比,振蕩器的功耗是相當較低的,因此MCU的石英振蕩器引起的噪音輻射相當低。然而,信號形狀和其頻譜可能大大有別於其它類型的振蕩器,例如RC振蕩器。

圖3:MCU的石英振蕩器引起的噪音
(2)內核、PLL和時鍾樹
正弦時鍾不能使用在如MCU等內部是數位邏輯的器件上,因此,在CMOS型MCU上(shang),振(zhen)蕩(dang)器(qi)時(shi)鍾(zhong)被(bei)整(zheng)形(xing)為(wei)矩(ju)形(xing),並(bing)且(qie)通(tong)過(guo)時(shi)鍾(zhong)樹(shu)分(fen)布(bu)在(zai)內(nei)部(bu)裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)。由(you)於(yu)時(shi)鍾(zhong)具(ju)有(you)多(duo)種(zhong)用(yong)途(tu),到(dao)時(shi)鍾(zhong)樹(shu)的(de)各(ge)分(fen)支(zhi)具(ju)有(you)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi),必(bi)須(xu)調(tiao)整(zheng)時(shi)鍾(zhong)邊(bian)緣(yuan)到(dao)各(ge)地(di)裝(zhuang)置(zhi)大(da)約(yue)在(zai)同(tong)一(yi)時(shi)間(jian)。所(suo)有(you)開(kai)關(guan)型(xing)核(he)心(xin)組(zu)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)幾(ji)乎(hu)是(shi)在(zai)同(tong)一(yi)時(shi)間(jian)內(nei),由(you)此(ci)內(nei)核(he)的(de)脈(mai)衝(chong)電(dian)流(liu)是(shi)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)的(de)內(nei)核(he)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)。
MCUtongchangshiyongliangzhongbianyuandeshizhong,youcineihedianliudezhaidaipinpuzaineihedeyunxingpinlvjiqixiebopinlvshangchengxiandianliufengzhi,chengxiandezuigaopinlvyibanshineiheyunxingpinlvdeliangbei。youyuMCUtongchangbaokuoyigehuoduogeshizhongfenpinqi,yincidipinxieboyebixukaolv。zuihou,neibuziliaocaozuodengzaididianpingshitigongyixiekuandaizaxun。yifangmian,zhendangqizhiqiandewaikuoyeshiyigexiaodezaoshengyuan,lingyifangmian,neihedianliushiheneihedeyunzuopinlvxiangguande。
如果內核頻率是一樣的,利用一個較慢的振蕩器和鎖相環(例如4MHz×4=16MHz)或使用較快振蕩器(例如16MHz),這樣應當引起相似級別的輻射。
(3)外部記憶體接口
外部記憶體接口包括地址彙流排,資料彙流排和一些控製信號。地址彙流排由MCU輸出,由於非線性存取順序提供的是非周期信號,因此,從EME角度講,地址彙流排相當於寬帶雜訊,低地址位通常比較高的地址位具有更多的開關頻率,所以這些都是較為重要的信號。
如果外部記憶體是唯讀或Flash記憶體,資料彙流排由記憶體驅動,即便記憶體是RAM,讀取周期也通常占主導地位。因此,資料彙流排的電磁輻射主要是決定於記憶體。
對於控製信號的電磁輻射,是記憶體接口上最應當注意的部分。最關鍵的信號是係統和/或記憶體的時鍾驅動器(SDRAM),因為它可產生巨大的窄帶雜訊,在啟動狀態下,即使引腳是開路的,它的噪聲也是較大的(參見到 I/O埠串擾的說明),因此無論任何地方,時鍾驅動器都應該被關掉。最後,由於這些開關信號(RAS、CAS、ASTB等)常常無規律的反複跳變,所以它們是潛在的噪聲源。
(4)I/O-ring上的通用埠
這(zhe)些(xie)引(yin)腳(jiao)的(de)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)無(wu)法(fa)估(gu)計(ji),由(you)於(yu)這(zhe)些(xie)引(yin)腳(jiao)一(yi)般(ban)由(you)用(yong)戶(hu)配(pei)置(zhi)。靜(jing)電(dian)或(huo)偶(ou)爾(er)開(kai)關(guan)引(yin)腳(jiao)應(ying)不(bu)會(hui)造(zao)成(cheng)重(zhong)大(da)的(de)輻(fu)射(she),而(er)頻(pin)繁(fan)開(kai)關(guan)切(qie)換(huan)的(de)引(yin)腳(jiao)已(yi)被(bei)視(shi)為(wei)潛(qian)在(zai)噪(zao)音(yin)來(lai)源(yuan)。重(zhong)複(fu)的(de)切(qie)換(huan)引(yin)腳(jiao)由(you)於(yu)其(qi)窄(zhai)帶(dai)特(te)性(xing)可(ke)能(neng)比(bi)非(fei)重(zhong)複(fu)引(yin)腳(jiao)包(bao)括(kuo)較(jiao)高(gao)的(de)雜(za)訊(xun),例(li)如(ru)係(xi)統(tong)時(shi)鍾(zhong)或(huo)CSI時鍾,還有CSI資料輸出或CAN資料輸出。
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