【導(dǎo)讀】在本系列文章中,我們研究了噪聲以及它如何干擾基于微控制器的系統(tǒng)的操作。本篇作為系列內(nèi)容的最后一篇,我們將看看一些可以用來(lái)最大限度地減少噪音影響的“規(guī)則”。
我們可以使用一些黃金法則來(lái)最小化設(shè)計(jì)中的EMC。
● 保護(hù)內(nèi)存/時(shí)鐘走線(xiàn)免受其他信號(hào)的影響
● 考慮對(duì)外部連接進(jìn)行濾波和/或緩沖
● 始終將高頻Vcc/Vss旁路電容靠近設(shè)備
● Vcc/Vss一直并聯(lián)走線(xiàn)并盡可能靠近,以最大限度地減少電流環(huán)路
● 嘗試在PCB上使用并行信號(hào)/返回走線(xiàn),特別是對(duì)于快速信號(hào)或承載大電流的走線(xiàn)
● 考慮使用多層線(xiàn)路板,配備專(zhuān)用并且是完整沒(méi)有被分割的Vcc/Vss層
● 不要使用高于要求的頻率,這不僅有利于最小化噪音,而且有利于功耗
讓我們更詳細(xì)地看一下其中的一些細(xì)節(jié)。
圖1
我們應(yīng)該盡量保持電源線(xiàn)之間的面積盡可能小,以盡量減少潛在的天線(xiàn)。我們還應(yīng)該盡量減少流向該天線(xiàn)的電流,以將任何輻射噪聲降至最低。
系統(tǒng)電源通常是系統(tǒng)中最大的內(nèi)部噪聲源之一。因此,使用旁路電容和EMI濾波器設(shè)計(jì)有效的供電系統(tǒng)就非常重要。我們應(yīng)該保持PCB上電源走線(xiàn)之間的天線(xiàn)方向圖區(qū)域盡可能小,以便將周?chē)碾娏鳝h(huán)路面積(S0,S1,S2)減小到最小。最有效的方法是對(duì)Vcc和Vss線(xiàn)路使用平行走線(xiàn)。
通過(guò)電源線(xiàn)連接到每個(gè)IC的旁路電容將顯著降低噪聲,我們應(yīng)該盡量使這些電容盡可能靠近每個(gè)芯片。通常,最有效的電容值為0.01μF~0.1μF。在特定的噪聲系統(tǒng)中,可以嘗試使用不同值的電容組合來(lái)改善噪聲性能。
并且由于各類(lèi)旁路電容的高頻特性不同,請(qǐng)根據(jù)噪聲頻率范圍選擇最合適、阻抗最低的電容。對(duì)于大多數(shù)微控制器,陶瓷電容和鉭電容通常是合適的。PCB電源輸入端一般使用電解電容進(jìn)行濾波。
我們應(yīng)該盡量減少設(shè)備之間的走線(xiàn)數(shù)量,并使每條走線(xiàn)的長(zhǎng)度盡可能短。MCU和其他設(shè)備之間的走線(xiàn)就像天線(xiàn)一樣,會(huì)產(chǎn)生噪聲??梢远嗫紤]使用串行總線(xiàn)(如I2C或SPI)與外部設(shè)備通信,而不是并行總線(xiàn)通信,這樣可以最大限度地降低噪聲,并且通常還可以最大程度地降低功耗和PCB空間。對(duì)于典型的高頻連接,請(qǐng)確保走線(xiàn)簡(jiǎn)短。
對(duì)于在設(shè)計(jì)中承載大電流的走線(xiàn)需要特別小心,不要在振蕩器附近以及其他引腳(例如模式或復(fù)位引腳)附近放置大電流走線(xiàn),這些引腳很容易受到噪聲的干擾。
我們?cè)谏弦黄恼轮幸呀?jīng)談到了振蕩器電路,這是一個(gè)需要重點(diǎn)注意的特殊領(lǐng)域,特別是如果您的設(shè)計(jì)使用低功耗32KHz晶體實(shí)現(xiàn)低功耗操作。圍繞振蕩器設(shè)計(jì)電路的最重要點(diǎn)是遵循硬件手冊(cè)中的振蕩器電路布局,并遵循振蕩器供應(yīng)商的電路建議,并利用他們的振蕩器規(guī)格服務(wù)(如果他們提供此服務(wù))(特別是對(duì)于32KHz振蕩器設(shè)計(jì))。其他關(guān)鍵建議包括不允許其他信號(hào)線(xiàn)穿過(guò)振蕩器走線(xiàn),因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_。同時(shí)使信號(hào)和電源走線(xiàn)盡可能遠(yuǎn)離振蕩器,并且不要在MCU引腳之間接地。
微控制器系統(tǒng)的其他良好布局實(shí)踐還包括:
● 盡可能對(duì)Vcc/Vss使用寬走線(xiàn)和短走線(xiàn)。
● 降低電源電路的阻抗將減少感性噪聲問(wèn)題。
● 盡可能使用Vss/Vcc平面,在較高頻率(通常>4MHz)下,返回電流盡可能接近信號(hào)路徑,因此,應(yīng)仔細(xì)規(guī)劃信號(hào)返回路徑,特別是對(duì)于大電流信號(hào)。
● 不要斷開(kāi)接地層,因?yàn)檫@會(huì)增加信號(hào)路徑阻抗。
● 考慮在I/O引腳上使用限流電阻。
瑞薩電子在RA系列微控制器內(nèi)部使用了非常多的設(shè)計(jì)技術(shù),以最大限度地減少外部噪聲引起的問(wèn)題。我們通常使用諸如與外設(shè)總線(xiàn)分離的CPU總線(xiàn)(帶內(nèi)存)等技術(shù),這可以最大限度地減少CPU操作的干擾,分布式時(shí)鐘系統(tǒng)和每個(gè)外設(shè)上的模塊停止功能。我們同時(shí)還對(duì)一些更敏感的輸入(如復(fù)位、振蕩器輸入等)使用片上噪聲濾波,并優(yōu)化I/O緩沖器和電源設(shè)計(jì)等。
由于我們使用了先進(jìn)的工藝技術(shù),各種功能模塊的集成也有助于提高可靠性,從而降低了對(duì)振蕩器和電源管理設(shè)備等外部電路的需求。片上振蕩器、POR/LVD(低電壓管理)和看門(mén)狗定時(shí)器在片上的實(shí)現(xiàn)可以大大減少外部噪聲進(jìn)入芯片的可能區(qū)域。
圖2
微控制器上的軟件功能也可用于提高整體系統(tǒng)對(duì)噪聲影響的抗擾度。正確使用看門(mén)狗定時(shí)器可以從EMI引起的系統(tǒng)崩潰中恢復(fù)應(yīng)用程序。當(dāng)今的許多RA微控制器都有兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器,一個(gè)時(shí)鐘來(lái)從主時(shí)鐘系統(tǒng),另一個(gè)時(shí)鐘來(lái)自從專(zhuān)用片上振蕩器,這就是獨(dú)立看門(mén)狗定時(shí)器(IWDT)。正確使用兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器允許用戶(hù)即使在傳統(tǒng)看門(mén)狗可能無(wú)法使用的低功耗模式下也能保持看門(mén)狗的工作。
應(yīng)用程序本身也可用于監(jiān)視其自身的進(jìn)度,并發(fā)現(xiàn)是否發(fā)生任何不可預(yù)見(jiàn)的操作。即使具有所有這些設(shè)計(jì)特征和技術(shù),在噪聲進(jìn)入芯片并干擾其運(yùn)行之前消除噪聲始終是保持安全操作的最可靠方法。
希望這一系列文章能夠?yàn)槟峁┮恍┫敕ê鸵恍┧伎?,關(guān)于微控制器系統(tǒng)中的噪聲,我們可以討論的還有很多,我們沒(méi)有考慮諸如不同類(lèi)型電纜中的噪聲或保護(hù)電路的使用等領(lǐng)域,例如Transil、Transorb、Mosorb...但我希望您已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)關(guān)于微控制器系統(tǒng)中噪聲的簡(jiǎn)短討論有用。您可以在瑞薩電子官網(wǎng)上找到有關(guān)瑞薩電子微控制器的更多信息及其噪聲性能信息,以及有關(guān)噪聲問(wèn)題的其他支持文檔。
作者:Graeme Clark,Jackie Chen
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