從EMC問題出發設計MCU(二)
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。
雜音傳播到非開關引腳
開關引腳是很明顯的噪聲源,更糟糕的是,它會對不相連的引腳產生輻射影響。
(1)控製器供電係統
供應係統一般是由一個或多個電源引腳以及相對應的地引腳組成,MCU一yi般ban提ti供gong幾ji種zhong隔ge離li供gong電dian係xi統tong,不bu同tong的de電dian源yuan以yi及ji相xiang對dui應ying的de地di是shi彼bi此ci相xiang互hu隔ge離li的de,每mei個ge供gong電dian係xi統tong必bi須xu至zhi少shao有you一yi個ge去qu耦ou電dian容rong,在zai較jiao寬kuan的de頻pin率lv範fan圍wei提ti供gong所suo需xu低di阻zu抗kang電dian源yuan。
在MCU內部,任何組件都直接或間接地連接到至少一個供電係統上,這樣,MCU內部任何轉換都會引起電流流動。電流輻射是與電流流動的環路麵積成正比的,因此,這些回路要設計盡可能小,在這最佳示例是MCU與去耦電容之間的電流回路。
任何電源都具有非0Ω的源阻抗,特別是在頻率較高的情況下,導線電感阻抗變得很大時,因此脈衝電流會將紋波疊加到直流電源上以至引起輻射,所以提供給MCU低阻抗的電源,可減少這種輻射。
(2)內核到I/O口的串擾噪聲
(a)共同阻抗耦合∶任何兩個電路在它們的供電時共享同一阻抗,彼此之間將會產生串擾雜訊。這個雜訊是由與壓降相關的核電流引起的,這的壓降是通過粘合線和引腳自感引起的,在圖4中以電阻的形式表示。即使PCBdedianyuandianyaxitongshiyuanligezhongwenbodianya,danpianneidianyuanyeshiyouzaoshengde。yinweibuhuanchongquheneiheshitongyizhongneibudianyuan,zaxuntongguoqidongdedianjingtichuandidaomeigeshuchujiejiao,zhebujinyingxiangshuchuguanjiao,haiyingxiangshuruyinjiao,shuruyinjiaobeiyingxiangqujueyuxinpianneibudejishengdianrong(例如保護電路)。在對EME敏感的情況下,可能需要對每一個引腳濾波,至少對於多引腳的MCU,這是基於成本和空間的原因。如圖4的de右you半ban部bu分fen是shi內nei核he隔ge離li供gong電dian係xi統tong的de例li子zi,通tong過guo此ci辦ban法fa耦ou合he到dao外wai部bu。為wei了le有you效xiao避bi共gong同tong阻zu抗kang耦ou合he的de弊bi端duan,應ying該gai從cong電dian源yuan和he地di麵mian兩liang方fang麵mian的de隔ge離li來lai考kao慮lv,這zhe樣yang,內nei核he的deI/O埠關聯輻射可大大改善。

圖4:共享與隔離電源的串擾
(b)容性和感性耦合∶共同阻抗耦合是引起從內核到I/O埠(bu)的(de)串(chuan)擾(rao)的(de)重(zhong)要(yao)原(yuan)因(yin),不(bu)過(guo),容(rong)性(xing)和(he)感(gan)性(xing)耦(ou)合(he)在(zai)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)或(huo)者(zhe)包(bao)裝(zhuang)上(shang)也(ye)會(hui)發(fa)生(sheng)。由(you)於(yu)具(ju)有(you)相(xiang)當(dang)高(gao)的(de)源(yuan)阻(zu)抗(kang),電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)應(ying)該(gai)不(bu)會(hui)有(you)太(tai)大(da)問(wen)題(ti)。隻(zhi)要(yao)一(yi)個(ge)高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)在(zai)另(ling)一(yi)條(tiao)導(dao)線(xian)邊(bian)流(liu)過(guo),就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)電(dian)感(gan)耦(ou)合(he),在(zai)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu),通(tong)過(guo)優(you)化(hua)走(zou)線(xian)已(yi)經(jing)把(ba)這(zhe)一(yi)效(xiao)應(ying)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di),但(dan)是(shi)粘(zhan)合(he)線(xian)難(nan)以(yi)優(you)化(hua),因(yin)為(wei)它(ta)是(shi)一(yi)個(ge)高(gao)度(du)連(lian)接(jie)結(jie)構(gou),因(yin)此(ci)與(yu)內(nei)核(he)電(dian)源(yuan)和(he)地(di)引(yin)腳(jiao)附(fu)近(jin)的(de)引(yin)腳(jiao),必(bi)須(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)內(nei)核(he)關(guan)聯(lian)噪(zao)聲(sheng)。
(3)I/O埠間的串擾
如上所述,由於共同阻抗耦合的串擾效應一般也發生在I/ O埠之間。顯然,不是每一個I/O埠(bu)可(ke)以(yi)被(bei)提(ti)供(gong)獨(du)立(li)的(de)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)。雖(sui)然(ran)串(chuan)擾(rao)的(de)影(ying)響(xiang)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)措(cuo)施(shi)減(jian)到(dao)最(zui)低(di),但(dan)不(bu)能(neng)避(bi)免(mian)。比(bi)如(ru),應(ying)用(yong)方(fang)麵(mian)可(ke)以(yi)利(li)用(yong)的(de)對(dui)策(ce)是(shi)降(jiang)低(di)頻(pin)率(lv)或(huo)對(dui)影(ying)響(xiang)最(zui)嚴(yan)重(zhong)引(yin)腳(jiao)進(jin)行(xing)濾(lv)波(bo)。通(tong)常(chang)輸(shu)入(ru)的(de)串(chuan)擾(rao)比(bi)輸(shu)出(chu)的(de)串(chuan)擾(rao)低(di),重(zhong)新(xin)配(pei)置(zhi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti),不(bu)必(bi)要(yao)的(de)開(kai)關(guan)信(xin)號(hao)也(ye)應(ying)該(gai)避(bi)免(mian),例(li)如(ru),如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)時(shi)鍾(zhong)驅(qu)動(dong)器(qi)沒(mei)有(you)被(bei)使(shi)用(yong)(引腳開路)但處於活動狀態,隻要對其它 I/O埠的串擾稍高,就不符合EME的苛刻要求。

圖5:I/O埠間的串擾
MCU的片上EMC措施
多年來,CMOS技術MCU集成了各種EMC技術,雖然片上電容和倍頻時鍾發生器是有效的,但對PCB的設計方麵卻沒有任何措施。
片上電容
EME優(you)化(hua)退(tui)耦(ou)目(mu)標(biao)是(shi)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)或(huo)更(geng)多(duo)的(de)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)最(zui)高(gao)所(suo)需(xu)高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)。高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)存(cun)放(fang)在(zai)片(pian)上(shang)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)中(zhong)環(huan)路(lu)越(yue)多(duo)和(he)電(dian)容(rong)越(yue)低(di)對(dui)其(qi)它(ta)供(gong)電(dian)電(dian)路(lu)影(ying)響(xiang)較(jiao)大(da)。為(wei)優(you)化(hua)連(lian)接(jie)線(xian)路(lu)的(de)阻(zu)抗(kang),通(tong)常(chang)電(dian)容(rong)盡(jin)可(ke)能(neng)接(jie)近(jin)MCU的供電引腳。為減少電流環路輻射,應當減少環路麵積。僅用PCB設(she)計(ji)技(ji)術(shu)難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)的(de)改(gai)善(shan)。因(yin)此(ci),慣(guan)用(yong)對(dui)策(ce)是(shi)將(jiang)部(bu)分(fen)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)放(fang)到(dao)芯(xin)片(pian)內(nei)部(bu)從(cong)而(er)減(jian)少(shao)連(lian)接(jie)阻(zu)抗(kang),並(bing)且(qie)適(shi)當(dang)的(de)考(kao)慮(lv)電(dian)流(liu)回(hui)路(lu)麵(mian)積(ji),這(zhe)些(xie)片(pian)上(shang)電(dian)容(rong)太(tai)小(xiao)以(yi)至(zhi)不(bu)能(neng)提(ti)供(gong)整(zheng)個(ge)芯(xin)片(pian)去(qu)耦(ou),所(suo)以(yi)PCB上的電容仍是必要的,然而,對於較高的頻率範圍,它們可以很好地減少輻射。
擴展時鍾產生器頻譜(SSCG)
高gao頻pin窄zhai帶dai輻fu射she相xiang對dui寬kuan帶dai輻fu射she更geng重zhong要yao。窄zhai帶dai頻pin譜pu僅jin僅jin是shi部bu分fen離li散san頻pin率lv,而er在zai中zhong間jian顯xian示shi環huan境jing噪zao音yin,糟zao糕gao的de是shi,隻zhi要yao有you一yi個ge高gao峰feng值zhi超chao過guo限xian額e,應ying用yong係xi統tong就jiu不bu能neng通tong過guo測ce試shi,而er寬kuan頻pin帶dai地di區qu可ke能neng會hui距ju離li限xian製zhi較jiao遠yuan,通tong過guo調tiao節jieCPU的運行頻率,高頻能量分布在較廣泛的頻率範圍,從而減少尖峰能量。
多種隔離電源
廣泛的使用電源隔離,可以有效減低MCU內核和I/O埠之間的串擾。更有甚者,類比電路、時鍾發生器和外部彙流排界麵可單獨供電。為獲得最好的效果,通常在電源和地麵處隔離,即便這會引起相當高的內部ESDbaohuxiaoying。chulebaohuxiaoguozhiwai,zheyicuoshideyunyongbeiyinjiaodeshijikexingxingxianzhi,tebieshizaijuyoushaoshuyinjiaodexiaofengzhuangshang。lingyifangmian,duoyinjiaodeqijiankenengjuyouduogedianyuanyinjiaoweitongyigexitonggongdian,yijianshao PCB和片上供電係統之間的連接阻抗。
當然,在內核和I/O驅動器或其它隔離電路之間也有一些內部控製信號。雖然是隔離供電,但為了保持兩種供應係統具有相同的地電勢,PCB的地之間必須通過低阻抗連接。

圖6:關注地麵阻抗
鄰近的電源和地引腳
大多數MCU封裝都有相鄰電源引腳,這些引腳使PCB設計者能更輕易地減少MCUyutuioudianrongzhijiandedianliuhuanlumianji。dangran,yaozuixiaohuahuanlumianji,meixianglindianyuanyinjiaoduizhijianyaoyouyigedianrong,bujinjiangdilehuanlumianji,yejianshaoletuioudianrongdelianjiezukang。
在PCB設(she)計(ji)時(shi)需(xu)要(yao)引(yin)起(qi)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi),盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)靠(kao)近(jin)供(gong)應(ying)引(yin)腳(jiao)放(fang)置(zhi)退(tui)耦(ou)電(dian)容(rong),把(ba)每(mei)條(tiao)線(xian)當(dang)成(cheng)具(ju)有(you)阻(zu)抗(kang)的(de)導(dao)線(xian)考(kao)慮(lv),尤(you)其(qi)是(shi)去(qu)耦(ou)電(dian)路(lu)和(he)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)板(ban)之(zhi)間(jian)的(de)連(lian)接(jie)應(ying)慎(shen)重(zhong)考(kao)慮(lv)。

圖7:鄰近的電源引腳
根據以上介紹,現將MCU使用中,一些有效的PCB設計方法介紹如下∶
(1)直接半導體遠場輻射可以忽略,因為片內結構很小以至不能形成有效的天線。MCU產生電流和電壓影響PCB布局和電纜連接,而PCB和導線形成的天線結構影響微控製器EMC特性,因此遠場輻射主要是電流,電壓和阻抗的問題。
(2) 頻率提高時,任何導線都會有電感,形成明顯的阻抗,尤其是在濾波電路中任何線路的阻抗是必須考慮的。
(3) gaopinzhaidaizaxuntongchangbikuandaizaxunmingxiandeduo。yuqijiandegongzuopinlvxiangguandefushezhuyaoshineihededimiandianliufushe,zhendangqidezaoshengyingxiangshixiangdangdide,waibujiyitijiekoudezuiguanjianxinhaoshixitongjijiyitideshizhongqudongqi。
(4) 對於頻繁切換的I/O信號特別是重複信號,必須考慮它對應用係統的輻射。係統時鍾驅動器不應該用於對EME敏感的應用設備中。
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