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,MCUyibantigongjizhonggeligongdianxitong,butongdedianyuanyijixiangduiyingdedishibicixianghugelide,meigegongdianxitongbixuzhishaoyouyigequoudianrong,zaijiaokuandepinlvfanweitigongsuoxudizukangdianyuan。
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/Obudechuanraodezhongyaoyuanyin,buguo,rongxingheganxingouhezaixinpianneibuhuozhebaozhuangshangyehuifasheng。youyujuyouxiangdanggaodeyuanzukang,dianrongouheyinggaibuhuiyoutaidawenti。zhiyaoyigegaopindianliuzailingyitiaodaoxianbianliuguo,jiuhuifashengdianganouhe,zaixinpianneibu,tongguoyouhuazouxianyijingbazheyixiaoyingjiangzhizuidi,danshizhanhexiannanyiyouhua,yinweitashiyigegaodulianjiejiegou,yinciyuneihedianyuanhediyinjiaofujindeyinjiao,bixuyaokaolvneiheguanlianzaosheng。
(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/Obukeyibeitigongdulidegongdianxitong。suiranchuanraodeyingxiangkeyitongguoxinpianshejicuoshijiandaozuidi,danbunengbimian。biru,yingyongfangmiankeyiliyongdeduiceshijiangdipinlvhuoduiyingxiangzuiyanzhongyinjiaojinxinglvbo。tongchangshurudechuanraobishuchudechuanraodi,zhongxinpeizhishuruheshuchukeyibangzhujiejuezhegewenti,bubiyaodekaiguanxinhaoyeyinggaibimian,liru,ruguoxitongshizhongqudongqimeiyoubeishiyong(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jinMCU的供電引腳。為減少電流環路輻射,應當減少環路麵積。僅用PCBshejijishunanyishixianzuidachengdudegaishan。yinci,guanyongduiceshijiangbufenquoudianrongfangdaoxinpianneibucongerjianshaolianjiezukang,bingqieshidangdekaolvdianliuhuilumianji,zhexiepianshangdianrongtaixiaoyizhibunengtigongzhenggexinpianquou,suoyiPCB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(jie)CPU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ESD保(bao)護(hu)效(xiao)應(ying)。除(chu)了(le)保(bao)護(hu)效(xiao)果(guo)之(zhi)外(wai),這(zhe)一(yi)措(cuo)施(shi)的(de)運(yun)用(yong)被(bei)引(yin)腳(jiao)的(de)實(shi)際(ji)可(ke)行(xing)性(xing)限(xian)製(zhi),特(te)別(bie)是(shi)在(zai)具(ju)有(you)少(shao)數(shu)引(yin)腳(jiao)的(de)小(xiao)封(feng)裝(zhuang)上(shang)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian),多(duo)引(yin)腳(jiao)的(de)器(qi)件(jian)可(ke)能(neng)具(ju)有(you)多(duo)個(ge)電(dian)源(yuan)引(yin)腳(jiao)為(wei)同(tong)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian),以(yi)減(jian)少(shao) 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MCU與yu退tui耦ou電dian容rong之zhi間jian的de電dian流liu環huan路lu麵mian積ji。當dang然ran,要yao最zui小xiao化hua環huan路lu麵mian積ji,每mei相xiang鄰lin電dian源yuan引yin腳jiao對dui之zhi間jian要yao有you一yi個ge電dian容rong,不bu僅jin降jiang低di了le環huan路lu麵mian積ji,也ye減jian少shao了le退tui耦ou電dian容rong的de連lian接jie阻zu抗kang。
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) 高gao頻pin窄zhai帶dai雜za訊xun通tong常chang比bi寬kuan帶dai雜za訊xun明ming顯xian得de多duo。與yu器qi件jian的de工gong作zuo頻pin率lv相xiang關guan的de輻fu射she主zhu要yao是shi內nei核he的de地di麵mian電dian流liu輻fu射she,振zhen蕩dang器qi的de噪zao聲sheng影ying響xiang是shi相xiang當dang低di的de,外wai部bu記ji憶yi體ti接jie口kou的de最zui關guan鍵jian信xin號hao是shi係xi統tong及ji記ji憶yi體ti的de時shi鍾zhong驅qu動dong器qi。
(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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