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(gè)部分,。EME描述的是器件在測(cè)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(jì)中,,EMC變得越來(lái)越重要。如果設(shè)計(jì)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(huì)干擾系統(tǒng)自身,那么所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是電磁兼容的,。
在電磁兼容設(shè)計(jì)中,,“受害方”的概念通常指那些由于設(shè)計(jì)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(chē)免持鑰匙入車(chē)(Keyless-Entry)模組中的寬帶接收器或者是車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)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(huì)誤認(rèn)為接收到了一個(gè)遙控信號(hào)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看,,電磁環(huán)境噪聲在一個(gè)給定的空間內(nèi)是增長(zhǎng)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(shí),,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(kāi)關(guān)門(mén)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(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)
二,、MCU中存在的EMC
MCU一般包括通用型和專(zhuān)用型兩類(lèi),,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(wú)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)牧粜腜CB設(shè)計(jì)。因此可以說(shuō),雜訊來(lái)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(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電源和地線上的電流;輸出管腳信號(hào)的變換;振蕩器工作產(chǎn)生的雜訊;開(kāi)關(guān)電容負(fù)載產(chǎn)生的片上信號(hào)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(méi)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(kāi)的,。
圖2∶典型的MCU布局
(1)振蕩器
當(dāng)涉及到時(shí)鐘和窄帶雜訊,大家自然而然地就會(huì)想到振蕩器,。圖3顯示了NEC公司典型MCU的石英振蕩器信號(hào)X1和X2的措施,。雖然信號(hào)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)?。然而,,信?hào)形狀和其頻譜可能大大有別于其它類(lèi)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(shí)鐘樹(shù)
正弦時(shí)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(shí)鐘被整形為矩形,,并且通過(guò)時(shí)鐘樹(shù)分布在內(nèi)部裝置中。由于時(shí)鐘具有多種用途,,到時(shí)鐘樹(shù)的各分支具有傳播延遲,,必須調(diào)整時(shí)鐘邊緣到各地裝置大約在同一時(shí)間。所有開(kāi)關(guān)型核心組件的電流幾乎是在同一時(shí)間內(nèi),,由此內(nèi)核的脈沖電流是一個(gè)主要的內(nèi)核噪聲源,。
MCU通常使用兩種邊緣的時(shí)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(gè)或多個(gè)時(shí)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(shí)提供一些寬帶雜訊。一方面,,振蕩器之前的外擴(kuò)也是一個(gè)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(gè)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(jí)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(hào),。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(hào),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(kāi)關(guān)頻率,,所以這些都是較為重要的信號(hào),。
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(dòng),,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(duì)于控制信號(hào)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(hào)是系統(tǒng)和/或記憶體的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器(SDRAM),,因?yàn)樗僧a(chǎn)生巨大的窄帶雜訊,,在啟動(dòng)狀態(tài)下,即使引腳是開(kāi)路的,,它的噪聲也是較大的(參見(jiàn)到 I/O埠串?dāng)_的說(shuō)明),,因此無(wú)論任何地方,時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器都應(yīng)該被關(guān)掉,。最后,,由于這些開(kāi)關(guān)信號(hào)(RAS、CAS,、ASTB等)常常無(wú)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(wú)法估計(jì),,由于這些引腳一般由用戶配置,。靜電或偶爾開(kāi)關(guān)引腳應(yīng)不會(huì)造成重大的輻射,而頻繁開(kāi)關(guān)切換的引腳已被視為潛在噪音來(lái)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(shí)鐘或CSI時(shí)鐘,還有CSI資料輸出或CAN資料輸出,。
2,、雜音傳播到非開(kāi)關(guān)引腳
開(kāi)關(guān)引腳是很明顯的噪聲源,更糟糕的是,,它會(huì)對(duì)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(gè)或多個(gè)電源引腳以及相對(duì)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(duì)應(yīng)的地是彼此相互隔離的,,每個(gè)供電系統(tǒng)必須至少有一個(gè)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(gè)供電系統(tǒng)上,這樣,,MCU內(nèi)部任何轉(zhuǎn)換都會(huì)引起電流流動(dòng),。電流輻射是與電流流動(dòng)的環(huán)路面積成正比的,因此,,這些回路要設(shè)計(jì)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(shí),因此脈沖電流會(huì)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,。