基于微控制器應(yīng)用的EMC設(shè)計 - 全文

　　一、引言

　　在概念上，電磁兼容性(EMC)包含系統(tǒng)本身的電磁敏感性(EMS)以及電磁雜音發(fā)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(shù)系統(tǒng)設(shè)計中，EMC變得越來越重要。如果設(shè)計的系統(tǒng)不干擾其它系統(tǒng)，也不受其它系統(tǒng)發(fā)射影響，并且不會干擾系統(tǒng)自身，那么所設(shè)計的系統(tǒng)就是電磁兼容的。

　　在電磁兼容設(shè)計中，“受害方”的概念通常指那些由于設(shè)計缺乏EMC考慮而受到影響的部件受害部件可能在基于MCU的PCB或者模組的內(nèi)部，也可能是外部系統(tǒng)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，由于接收到MCU發(fā)出的足夠強(qiáng)的雜訊，這些模組中的接收器會誤認(rèn)為接收到了一個遙控信號。

　　從長遠(yuǎn)角度來看，電磁環(huán)境噪聲在一個給定的空間內(nèi)是增長的，如圖1曲線所示，當(dāng)在電子設(shè)備的抗干擾性高于電磁環(huán)境噪聲任何點(diǎn)時，電子設(shè)備的功能都不將受影響，遺憾的是，現(xiàn)在電子系統(tǒng)大部分具有較高的工作頻率和較低的電平開關(guān)門限(由于較低工作電源)，防噪聲能力逐漸下降，如圖1中的曲線2。

?

　　圖1∶環(huán)境噪聲長遠(yuǎn)發(fā)展趨勢

　　二、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(shù)，其中在用戶端無任何措施的情況下，有些技術(shù)是還是有效的，其它則需要適當(dāng)?shù)牧粜?a target="_blank">PCB設(shè)計。因此可以說，雜訊來源主要有兩部分∶MCU的內(nèi)部噪聲，MCU傳播到外面的噪聲。

　　MCU內(nèi)部存在四種主要的噪聲源∶內(nèi)部匯流排和節(jié)點(diǎn)同步開關(guān)產(chǎn)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(chǎn)生的雜訊;開關(guān)電容負(fù)載產(chǎn)生的片上信號假像。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)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。

　　1、主要噪聲源

　　除AD轉(zhuǎn)換器、振蕩器和I/Oring之外，所有內(nèi)部邏輯被列為內(nèi)核。典型的內(nèi)核和外部引腳是沒有關(guān)聯(lián)的，但電源引腳除外。例如，在圖2中內(nèi)核包含CPU、鎖相環(huán)、程序記憶體、RAM及周邊器件包括CAN記憶體。 I/Oring包括帶有埠緩沖的電源和地面通道系統(tǒng)以及保護(hù)電路。所以，大多數(shù)MCU的I/Oring電源和內(nèi)核電源是分開的。

?

　　圖2∶典型的MCU布局

　　(1)振蕩器

　　當(dāng)涉及到時鐘和窄帶雜訊，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(shí)上，根據(jù)頻譜分析僅能表示少數(shù)一些諧波。此外，和MCU的總功耗相比，振蕩器的功耗是相當(dāng)較低的，因此MCU的石英振蕩器引起的噪音輻射相當(dāng)?shù)汀Ｈ欢?，信號形狀和其頻譜可能大大有別于其它類型的振蕩器，例如RC振蕩器。

?

　　圖3∶MCU的石英振蕩器引起的噪音

　　(2)內(nèi)核、PLL和時鐘樹

　　正弦時鐘不能使用在如MCU等內(nèi)部是數(shù)位邏輯的器件上，因此，在CMOS型MCU上，振蕩器時鐘被整形為矩形，并且通過時鐘樹分布在內(nèi)部裝置中。由于時鐘具有多種用途，到時鐘樹的各分支具有傳播延遲，必須調(diào)整時鐘邊緣到各地裝置大約在同一時間。所有開關(guān)型核心組件的電流幾乎是在同一時間內(nèi)，由此內(nèi)核的脈沖電流是一個主要的內(nèi)核噪聲源。

　　MCU通常使用兩種邊緣的時鐘，由此內(nèi)核電流的窄帶頻譜在內(nèi)核的運(yùn)行頻率及其諧波頻率上呈現(xiàn)電流峰值，呈現(xiàn)的最高頻率一般是內(nèi)核運(yùn)行頻率的兩倍。由于MCU通常包括一個或多個時鐘分頻器，因此低頻諧波也必須考慮。最后，內(nèi)部資料操作等在低電平時提供一些寬帶雜訊。一方面，振蕩器之前的外擴(kuò)也是一個小的噪聲源，另一方面，內(nèi)核電流是和內(nèi)核的運(yùn)作頻率相關(guān)的。

　　如果內(nèi)核頻率是一樣的，利用一個較慢的振蕩器和鎖相環(huán)(例如4MHz×4=16MHz)或使用較快振蕩器(例如16MHz)，這樣應(yīng)當(dāng)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匯流排，資料匯流排和一些控制信號。地址匯流排由MCU輸出，由于非線性存取順序提供的是非周期信號，因此，從EME角度講，地址匯流排相當(dāng)于寬帶雜訊，低地址位通常比較高的地址位具有更多的開關(guān)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，資料匯流排由記憶體驅(qū)動，即便記憶體是RAM，讀取周期也通常占主導(dǎo)地位。因此，資料匯流排的電磁輻射主要是決定于記憶體。

　　對于控制信號的電磁輻射，是記憶體接口上最應(yīng)當(dāng)注意的部分。最關(guān)鍵的信號是系統(tǒng)和/或記憶體的時鐘驅(qū)動器(SDRAM)，因?yàn)樗僧a(chǎn)生巨大的窄帶雜訊，在啟動狀態(tài)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?dāng)_的說明)，因此無論任何地方，時鐘驅(qū)動器都應(yīng)該被關(guān)掉。最后，由于這些開關(guān)信號(RAS、CAS、ASTB等)常常無規(guī)律的反復(fù)跳變，所以它們是潛在的噪聲源。

　　(4)I/O-ring上的通用埠

　　這些引腳的電磁輻射無法估計，由于這些引腳一般由用戶配置。靜電或偶爾開關(guān)引腳應(yīng)不會造成重大的輻射，而頻繁開關(guān)切換的引腳已被視為潛在噪音來源。重復(fù)的切換引腳由于其窄帶特性可能比非重復(fù)引腳包括較高的雜訊，例如系統(tǒng)時鐘或CSI時鐘，還有CSI資料輸出或CAN資料輸出。

　　2、雜音傳播到非開關(guān)引腳

　　開關(guān)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(chǎn)生輻射影響。

　　(1)控制器供電系統(tǒng)

　　供應(yīng)系統(tǒng)一般是由一個或多個電源引腳以及相對應(yīng)的地引腳組成，MCU一般提供幾種隔離供電系統(tǒng)，不同的電源以及相對應(yīng)的地是彼此相互隔離的，每個供電系統(tǒng)必須至少有一個去耦電容，在較寬的頻率范圍提供所需低阻抗電源。

　　在MCU內(nèi)部，任何組件都直接或間接地連接到至少一個供電系統(tǒng)上，這樣，MCU內(nèi)部任何轉(zhuǎn)換都會引起電流流動。電流輻射是與電流流動的環(huán)路面積成正比的，因此，這些回路要設(shè)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(dǎo)線電感阻抗變得很大時，因此脈沖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(nèi)核到I/O口的串?dāng)_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(chǎn)生串?dāng)_雜訊。這個雜訊是由與壓降相關(guān)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PCB的電源電壓系統(tǒng)是遠(yuǎn)離各種紋波電壓，但片內(nèi)電源也是有噪聲的。因?yàn)椴壕彌_區(qū)和內(nèi)核是同一種內(nèi)部電源，雜訊通過啟動的電晶體傳遞到每個輸出接腳，這不僅影響輸出管腳，還影響輸入引腳，輸入引腳被影響取決于芯片內(nèi)部的寄生電容(例如保護(hù)電路)。在對EME敏感的情況下，可能需要對每一個引腳濾波，至少對于多引腳的MCU，這是基于成本和空間的原因。如圖4的右半部分是內(nèi)核隔離供電系統(tǒng)的例子，通過此辦法耦合到外部。為了有效避共同阻抗耦合的弊端，應(yīng)該從電源和地面兩方面的隔離來考慮，這樣，內(nèi)核的I/O埠關(guān)聯(lián)輻射可大大改善。

?

　　圖4∶共享與隔離電源的串?dāng)_

　　(b)容性和感性耦合∶共同阻抗耦合是引起從內(nèi)核到I/O埠的串?dāng)_的重要原因，不過，容性和感性耦合在芯片內(nèi)部或者包裝上也會發(fā)生。由于具有相當(dāng)高的源阻抗，電容耦合應(yīng)該不會有太大問題。只要一個高頻電流在另一條導(dǎo)線邊流過，就會發(fā)生電感耦合，在芯片內(nèi)部，通過優(yōu)化走線已經(jīng)把這一效應(yīng)降至最低，但是粘合線難以優(yōu)化，因?yàn)樗且粋€高度連接結(jié)構(gòu)，因此與內(nèi)核電源和地引腳附近的引腳，必須要考慮內(nèi)核關(guān)聯(lián)噪聲。

　　(3)I/O埠間的串?dāng)_

　　如上所述，由于共同阻抗耦合的串?dāng)_效應(yīng)一般也發(fā)生在I/ O埠之間。顯然，不是每一個I/O埠可以被提供獨(dú)立的供電系統(tǒng)。雖然串?dāng)_的影響可以通過芯片設(shè)計措施減到最低，但不能避免。比如，應(yīng)用方面可以利用的對策是降低頻率或?qū)τ绊懽顕?yán)重引腳進(jìn)行濾波。通常輸入的串?dāng)_比輸出的串?dāng)_低，重新配置輸入和輸出可以幫助解決這個問題，不必要的開關(guān)信號也應(yīng)該避免，例如，如果系統(tǒng)時鐘驅(qū)動器沒有被使用(引腳開路)但處于活動狀態(tài)，只要對其它 I/O埠的串?dāng)_稍高，就不符合EME的苛刻要求。

?

　　圖5∶I/O埠間的串?dāng)_

　　三、MCU的片上EMC措施

　　多年來，CMOS技術(shù)MCU集成了各種EMC技術(shù)，雖然片上電容和倍頻時鐘發(fā)生器是有效的，但對PCB的設(shè)計方面卻沒有任何措施。

　　1、片上電容

　　EME優(yōu)化退耦目標(biāo)是通過一個或更多的去耦電容提供一個最高所需高頻電流。高頻電流存放在片上的開關(guān)電路中環(huán)路越多和電容越低對其它供電電路影響較大。為優(yōu)化連接線路的阻抗，通常電容盡可能接近MCU的供電引腳。為減少電流環(huán)路輻射，應(yīng)當(dāng)減少環(huán)路面積。僅用PCB設(shè)計技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)最大程度的改善。因此，慣用對策是將部分去耦電容放到芯片內(nèi)部從而減少連接阻抗，并且適當(dāng)?shù)目紤]電流回路面積，這些片上電容太小以至不能提供整個芯片去耦，所以PCB上的電容仍是必要的，然而，對于較高的頻率范圍，它們可以很好地減少輻射。

　　2、擴(kuò)展時鐘產(chǎn)生器頻譜(SSCG)

　　高頻窄帶輻射相對寬帶輻射更重要。窄帶頻譜僅僅是部分離散頻率，而在中間顯示環(huán)境噪音，糟糕的是，只要有一個高峰值超過限額，應(yīng)用系統(tǒng)就不能通過測試，而寬頻帶地區(qū)可能會距離限制較遠(yuǎn)，通過調(diào)節(jié)CPU的運(yùn)行頻率，高頻能量分布在較廣泛的頻率范圍，從而減少尖峰能量。

　　3、多種隔離電源

　　廣泛的使用電源隔離，可以有效減低MCU內(nèi)核和I/O埠之間的串?dāng)_。更有甚者，類比電路、時鐘發(fā)生器和外部匯流排界面可單獨(dú)供電。為獲得最好的效果，通常在電源和地面處隔離，即便這會引起相當(dāng)高的內(nèi)部ESD保護(hù)效應(yīng)。除了保護(hù)效果之外，這一措施的運(yùn)用被引腳的實(shí)際可行性限制，特別是在具有少數(shù)引腳的小封裝上。另一方面，多引腳的器件可能具有多個電源引腳為同一個系統(tǒng)供電，以減少 PCB和片上供電系統(tǒng)之間的連接阻抗。

　　當(dāng)然，在內(nèi)核和I/O驅(qū)動器或其它隔離電路之間也有一些內(nèi)部控制信號。雖然是隔離供電，但為了保持兩種供應(yīng)系統(tǒng)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(guān)注地面阻抗

　　4、鄰近的電源和地引腳

　　大多數(shù)MCU封裝都有相鄰電源引腳，這些引腳使PCB設(shè)計者能更輕易地減少M(fèi)CU與退耦電容之間的電流環(huán)路面積。當(dāng)然，要最小化環(huán)路面積，每相鄰電源引腳對之間要有一個電容，不僅降低了環(huán)路面積，也減少了退耦電容的連接阻抗。

　　在PCB設(shè)計時需要引起注意的是，盡可能地靠近供應(yīng)引腳放置退耦電容，把每條線當(dāng)成具有阻抗的導(dǎo)線考慮，尤其是去耦電路和供電系統(tǒng)板之間的連接應(yīng)慎重考慮。

?

　　圖7∶鄰近的電源引腳

　　四、總結(jié)

　　根據(jù)以上介紹，現(xiàn)將MCU使用中，一些有效的PCB設(shè)計方法介紹如下∶

　　(1)直接半導(dǎo)體遠(yuǎn)場輻射可以忽略，因?yàn)槠瑑?nèi)結(jié)構(gòu)很小以至不能形成有效的天線。MCU產(chǎn)生電流和電壓影響PCB布局和電纜連接，而PCB和導(dǎo)線形成的天線結(jié)構(gòu)影響微控制器EMC特性，因此遠(yuǎn)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(dǎo)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) 高頻窄帶雜訊通常比寬帶雜訊明顯得多。與器件的工作頻率相關(guān)的輻射主要是內(nèi)核的地面電流輻射，振蕩器的噪聲影響是相當(dāng)?shù)偷?，外部記憶體接口的最關(guān)鍵信號是系統(tǒng)及記憶體的時鐘驅(qū)動器

　　(4) 對于頻繁切換的I/O信號特別是重復(fù)信號，必須考慮它對應(yīng)用系統(tǒng)的輻射。系統(tǒng)時鐘驅(qū)動器不應(yīng)該用于對EME敏感的應(yīng)用設(shè)備中。