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4deyoubanbufenshineihegeligongdianxitongdelizi,tongguocibanfaouhedaowaibu。weileyouxiaobigongtongzukangouhedebiduan,yinggaicongdianyuanhedimianliangfangmiandegelilaikaolv,zheyang,neihedeI/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
EMEyouhuatuioumubiaoshitongguoyigehuogengduodequoudianrongtigongyigezuigaosuoxugaopindianliu。gaopindianliucunfangzaipianshangdekaiguandianluzhonghuanluyueduohedianrongyuediduiqitagongdiandianluyingxiangjiaoda。weiyouhualianjiexianludezukang,tongchangdianrongjinkenengjiejinMCU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)
gaopinzhaidaifushexiangduikuandaifushegengzhongyao。zhaidaipinpujinjinshibufenlisanpinlv,erzaizhongjianxianshihuanjingzaoyin,zaogaodeshi,zhiyaoyouyigegaofengzhichaoguoxiane,yingyongxitongjiubunengtongguoceshi,erkuanpindaidiqukenenghuijulixianzhijiaoyuan,tongguotiaojieCPU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) 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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