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如何降低微控制器系统中的噪声影响(3)


【导读】在本系列文章中,我们研究了噪声以及它如何干扰基于微控制器的系统的操作。本篇作为系列内容的最后一篇,我们将看看一些可以用来最大限度地减少噪音影响的“规则”。


我们可以使用一些黄金法则来最小化设计中的EMC。


● 保护内存/时钟走线免受其他信号的影响

● 考虑对外部连接进行滤波和/或缓冲

● 始终将高频Vcc/Vss旁路电容靠近设备

● Vcc/Vss一直并联走线并尽可能靠近,以最大限度地减少电流环路

● 尝试在PCB上使用并行信号/返回走线,特别是对于快速信号或承载大电流的走线

● 考虑使用多层线路板,配备专用并且是完整没有被分割的Vcc/Vss层

● 不要使用高于要求的频率,这不仅有利于最小化噪音,而且有利于功耗


让我们更详细地看一下其中的一些细节。


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图1


我们应该尽量保持电源线之间的面积尽可能小,以尽量减少潜在的天线。我们还应该尽量减少流向该天线的电流,以将任何辐射噪声降至最低。


系统电源通常是系统中最大的内部噪声源之一。因此,使用旁路电容和EMI滤波器设计有效的供电系统就非常重要。我们应该保持PCB上电源走线之间的天线方向图区域尽可能小,以便将周围的电流环路面积(S0,S1,S2)减小到最小。最有效的方法是对Vcc和Vss线路使用平行走线。


通过电源线连接到每个IC的旁路电容将显著降低噪声,我们应该尽量使这些电容尽可能靠近每个芯片。通常,最有效的电容值为0.01μF~0.1μF。在特定的噪声系统中,可以尝试使用不同值的电容组合来改善噪声性能。


并且由于各类旁路电容的高频特性不同,请根据噪声频率范围选择最合适、阻抗最低的电容。对于大多数微控制器,陶瓷电容和钽电容通常是合适的。PCB电源输入端一般使用电解电容进行滤波。


我们应该尽量减少设备之间的走线数量,并使每条走线的长度尽可能短。MCU和其他设备之间的走线就像天线一样,会产生噪声。可以多考虑使用串行总线(如I2C或SPI)与外部设备通信,而不是并行总线通信,这样可以最大限度地降低噪声,并且通常还可以最大程度地降低功耗和PCB空间。对于典型的高频连接,请确保走线简短。


对于在设计中承载大电流的走线需要特别小心,不要在振荡器附近以及其他引脚(例如模式或复位引脚)附近放置大电流走线,这些引脚很容易受到噪声的干扰。


我们在上一篇文章中已经谈到了振荡器电路,这是一个需要重点注意的特殊领域,特别是如果您的设计使用低功耗32KHz晶体实现低功耗操作。围绕振荡器设计电路的最重要点是遵循硬件手册中的振荡器电路布局,并遵循振荡器供应商的电路建议,并利用他们的振荡器规格服务(如果他们提供此服务)(特别是对于32KHz振荡器设计)。其他关键建议包括不允许其他信号线穿过振荡器走线,因为这会导致串扰。同时使信号和电源走线尽可能远离振荡器,并且不要在MCU引脚之间接地。


微控制器系统的其他良好布局实践还包括:


● 尽可能对Vcc/Vss使用宽走线和短走线。

● 降低电源电路的阻抗将减少感性噪声问题。

● 尽可能使用Vss/Vcc平面,在较高频率(通常>4MHz)下,返回电流尽可能接近信号路径,因此,应仔细规划信号返回路径,特别是对于大电流信号。

● 不要断开接地层,因为这会增加信号路径阻抗。

● 考虑在I/O引脚上使用限流电阻


瑞萨电子在RA系列微控制器内部使用了非常多的设计技术,以最大限度地减少外部噪声引起的问题。我们通常使用诸如与外设总线分离的CPU总线(带内存)等技术,这可以最大限度地减少CPU操作的干扰,分布式时钟系统和每个外设上的模块停止功能。我们同时还对一些更敏感的输入(如复位、振荡器输入等)使用片上噪声滤波,并优化I/O缓冲器和电源设计等。


由于我们使用了先进的工艺技术,各种功能模块的集成也有助于提高可靠性,从而降低了对振荡器和电源管理设备等外部电路的需求。片上振荡器、POR/LVD(低电压管理)和看门狗定时器在片上的实现可以大大减少外部噪声进入芯片的可能区域。


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图2


微控制器上的软件功能也可用于提高整体系统对噪声影响的抗扰度。正确使用看门狗定时器可以从EMI引起的系统崩溃中恢复应用程序。当今的许多RA微控制器都有两个看门狗定时器,一个时钟来从主时钟系统,另一个时钟来自从专用片上振荡器,这就是独立看门狗定时器(IWDT)。正确使用两个看门狗定时器允许用户即使在传统看门狗可能无法使用的低功耗模式下也能保持看门狗的工作。


应用程序本身也可用于监视其自身的进度,并发现是否发生任何不可预见的操作。即使具有所有这些设计特征和技术,在噪声进入芯片并干扰其运行之前消除噪声始终是保持安全操作的最可靠方法。


希望这一系列文章能够为您提供一些想法和一些思考,关于微控制器系统中的噪声,我们可以讨论的还有很多,我们没有考虑诸如不同类型电缆中的噪声或保护电路的使用等领域,例如Transil、Transorb、Mosorb...但我希望您已经发现这个关于微控制器系统中噪声的简短讨论有用。您可以在瑞萨电子官网上找到有关瑞萨电子微控制器的更多信息及其噪声性能信息,以及有关噪声问题的其他支持文档。


作者:Graeme Clark,Jackie Chen



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