单片机内部主要的干扰源和敏感器件
mouser 2021-04-08

本文主要参考自《MICROCONTROLLER DESIGN GUIDELINES FOR ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY》,此文虽然写在多年前,不过有很多很现实的参考意义。另外别的IC厂商也有很多的参考文档,如果大家有兴趣可以参考一下。 题外话,写这个话题主要是去剖析模块内部主要的干扰源和敏感器件,通过这些主要的东西的设计来慢慢体会模块的EMC设计,不过难免有些一鳞半爪之嫌,积累 多了可能未来在设计电路的时候在前期就很容易把问题考虑周到和细致。

1、单片机的工作频率

1.1、单片机的设计应根据客户的需求来选择较低的工作频率

首先介绍一下这样做的优点:采用低的晶振和总线频率使得我们可以选择较小的单片机满足时序的要求,这样单片机的工作电流可以变得更低,最重要的是VDD到VSS的电流峰值会更小。

当然我们这里需要做一个妥协,因为客户的要求可能是兼容的和平台化的(目前汽车电子的发展趋势就是平台化),选择较高的工作频率可以兼容更多的平台,也方便以后升级和扩展,因此要选择一个较低的可以接受的工作频率。

2、恰当的输出驱动能力

在给定负载规范,上升和下降时间,选择适当的输出的上升时间,最大限度地降低输出和内部驱动器的峰值电流是减小EMI的最重要的设计考虑因素之一。驱动能 力不匹配或不控制输出电压变化率,可能会导致阻抗不匹配,更快的开关边沿,输出信号的上冲和下冲或电源和地弹噪声。

2.1、设计单片机的输出驱动器,首先确定模块需求的负载,上升和下降的时间,输出电流等参数,根据以上的信息驱动能力,控制电压摆率,只有这样才能得到符合模块需求又能满足EMC要求。

驱动器能力比负载实际需要的充电速度高时,会产生的更高的边沿速率,这样会有两个缺点:

1.信号的谐波成分增加了.

2.与负载电容和寄生内部bonding线,IC封装,PCB电感一起,会造成信号的上冲和下冲。

选择合适的的di/dt开关特性,可通过仔细选择驱动能力的大小和控制电压摆率来实现。最好的选择是使用一个与负载无关的恒定的电压摆率输出缓冲器。同样的 预驱动器输出的电压摆率可以减少(即上升和下降时间可以增加),但是相应的传播延迟将增加,我们需要控制总的开关时间)。

2.2、使用单片机的可编程的输出口的驱动能力,满足模块实际负载要求。

可编程的输出口的驱动器的最简单是的并联的一对驱动器,他们的MOS的Rdson不能,能输出的电流能力也不相同。我们在测试和实际使用的时候可以选择不同的模式。实际上目前的单片机一般至少有两种模式可选择,有些甚至可以有三种(强,中等,弱)

2.3、当时序约束有足够的余量的时候,通过降低输出能力来减缓内部时钟驱动的边沿。

减少同步开关的峰值电流,和di/dt,一个重要的考虑因素就是降低内部时钟驱动的能力(其实就是放大倍数,穿通电流与之相关型很大)。降低时钟边沿的电 流,将显著改善EMI。当然这样做的缺点就是,由于时钟和负载的开通时间的变长使得单片机的平均电流可能增加。快速边沿和相对较高的峰值电流,时间更长边 沿较慢的电流脉冲这两者需要做一个妥协。

“”

2.4、晶振的内部驱动(反向器)最好不要超过实际的需求。

这个问题,实际上前面也谈过了,当增益过大的时候会带来更大的干扰。

3 、设计最小穿通电流的驱动器

3.1、时钟,总线和输出驱动器应尽可能使得传统电流最小

穿通电流【重叠电流,短路电流】,是从单片机在切换过程中,PMOS和NMOS同时导通时候,电源到地线的电流,穿通电流直接影响了EMI和功耗。

这个内容实际上是在单片机内部的,时钟,总线和输出驱动器,消除或减少穿通电流的方法是尽量先关闭一个FET,然后再开通一个FET。当电流较大时,需要额外的预驱动电路或电压摆率。

4、时钟的生成和分配

4.1就单片机内部而言,我们宁可给每个部分分配时钟(尽可能小的高频时钟),当然我们需要额外的管理时钟偏移工作。这样做要比使用一个增益很大的的时钟缓冲器,驱动整个IC的时钟好很多

同步CMOS的设计,在时钟边沿产生很大的峰值电流。时钟树的结构使用(在系统时间允许的条件下),比起主时钟驱动器和时钟分配线路,将减少同步开关电流。【时钟树结构中固有的延迟时间使得开关在不同时间分离开来】

4.2、使用电源管理技术。

把时钟源尽可能靠近需要的IC,如果在一个模块内需要分配时钟的话。在不需要时钟的时候,关闭时钟源。【睡眠模式的时候通常需要做时钟的切换】

4.3、在系统的限制允许的条件下,尽量使用非重叠时钟。

非重叠时钟,是指没有同步边缘的时钟。从系统的角度来说,非重叠的时钟边沿有助于消除竞争冒险和亚稳态。从EMC的角度看,加入时钟边沿之间的过渡时间会降低峰值电流和谐波的峰值幅度。平均电流从时间跨度上来看将保持大致相同,但幅度和频谱形状会发生变化。

如果时钟间的过渡是接近的但不同步(假设边沿速度相对于时钟周期要快得多),电流波形会变平和持续时间会变长。随着过渡时间的增加,对每个边沿来说到电流波形会分离成若干个脉冲。较低的脉冲幅度相应降低了谐波的频谱幅度,电流脉冲边沿很可能依然大致相同(维持脉冲带宽)。理想情况下,两相系统中非重叠的占空比为33%,最大限度地加大时钟边沿之间的时间。然而,实际应用中不可能使用这种方式,必须做一些妥协,实际系统中不容许时钟边沿的有这么大的跨度。

4.4、使时钟电路尽量远离I / O逻辑电路,减少共模辐射问题发生的可能性。

时钟信号需要远离I / O逻辑或平行的引线。时钟暂态边沿可以耦合到I / O逻辑,产生电压的噪声。

4.5、输入引脚同步器移动远离单片机引脚区域,进入单片机的核心模块。

这项方法可以减少所需的时钟驱动器的大小,

移动同步器靠近时钟源可减少时钟信号线路长度。时钟驱动器上的电容负载部分取决于引线的寄生电容的,时钟驱动充电负荷将变小。 

声明: 本文转载自其它媒体或授权刊载,目的在于信息传递,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,如有新闻稿件和图片作品的内容、版权以及其它问题的,请联系我们及时删除。(联系我们,邮箱:evan.li@aspencore.com )
0
评论
热门推荐
  • 相关技术文库
  • 单片机
  • 嵌入式
  • MCU
  • STM
  • 单片机基础及主流厂商一览

    MCU是Microcontroller Unit 的简称,中文叫微控制器,俗称单片机 ,是把CPU的频率与规格做适当缩减,并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制,

    昨天
  • 单片机的几种数字滤波算法

    单片机主要作用是控制外围的器件,并实现一定的通信和数据处理。但在某些特定场合,不可避免地要用到数学运算,尽管单片机并不擅长实现算法和进行复杂的运算。下面主要是介绍如何用单片机实现数字滤波。 在单片机进行数据采集时,会遇到数据的随机误差,随机

    前天
  • 故障排查,软件遇到IO异常怎么回事

    软件工程师在调试样板时,遇到这样一个问题,有个按键一直没有反应。他检查了按键IO的配置,确定已经是配置成了输入模式,试了很多遍,都是一样,怎么按按键,都是没有反应。 于是,必需硬件工程师出马。我的排查过程是这样的。 首先,样板断电用万用表的短路

    04-19
  • 智能化交通信号机解决方案

    面向交通信号灯行业,ZLG推出智能化交通信号机解决方案,该方案可大幅提升设备的智能化和道路使用率,改善道路拥堵,打造高效畅通的“智慧交通”。   行业背景 据公安部统计,2020年,全国机动车保有量达3.72亿辆,其中汽车2.81亿辆。百度地图发布的《2020年度

    04-16
  • 单片机如何实现Bootloader?

    去某新能源大厂出了一次差,这次出差是为了升级程序解决Bug,需要给单片机重新烧录.hex文件,用户已经将产品封装起来,无法开盖,只能使用CAN总线来更新程序,用Bootloader实现。其实就是通过上位机把.bin/hex文件以CAN通讯的方式发送给单片机并存储在规定的F

    04-13
  • 单片机应用系统的开发流程

    我们学习单片机的目的就是为了进行嵌入式系统的开发,学好单片机首先要有一个整体认识,下面将简要介绍一下单片机应用系统的开发流程,如图1所示。 图1 单片机系统开发流程 (1)明确任务 分析和了解项目的总体要求,并综合考虑系统使用环境、可靠性要求、可维

    04-12
  • 太经典了!用最少的IO口,扫最多的键

    在做项目(工程)的时候,我们经常要用到比较多的按键,而且IO资源紧张,于是我们就想方设法地在别的模块中节省IO口,好不容易挤出一两个IO口,却发现仍然不够用,实在没办法了就添加一个IC来扫键。一个IC虽然价格不高,但对于大批量生产而且产品利润低的厂家

    03-30
  • 单片机的学习方法和步骤

    注 | 文末留言有福利 作为一名电子技术从业人员,你学过单片机吗?你会运用单片机吗? 我想你一定学过,但不一定会运用。 因为学习单片机比学习其他学科需要付出更多的努力和代价,不仅要学习理论知识还要练习实际操作,而且主要是在实际操作中才能真正学到单

    03-25
  • 单片机内存的分配

    单片机执行指令过程详解 单片机执行程序的过程,实际上就是执行我们所编制程序的过程。即逐条指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。 取指令的任务是:根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令

    03-22
  • 几种常用单片机之间的通信方式

    越来越多的功能各异的单片机为我们的设计提供了许多新的方法与思路。对于莫一些场合,比如:复杂的后台运算及通信与高实时性前台控制系统、软件资源消耗大的系统、功能强大的低消耗系统、加密系统等等。如果合理使用多种不同类型的单片机组合设计,可以得到极

    03-17
  • STM32F4的总线架构和STM8的中断控制

    STM32F4的总线架构 总线架构    DMA: Direct Memory Access,直接内存存取。    八条主控总线: Cortex-M4 内核I总线,D总线和S总线; DMA1存储器总线,DMA2存储器总线; DMA2外设总线; 以太网DMA总线; USB OTG HS DMA总线。 七条被控总线: 内部FLASH ICo

    03-17
  • 单片机P0口必须加上上拉电阻?

    在我们刚一开始接触到51单片机的时候对P0口必须加上上拉电阻,否则P0就是高阻态。 对这个问题可能感到疑惑,为什么是高阻态?加上拉电阻?今天针对这一概念进行简单讲解。 高阻态 高阻态这是一个数字电路里常见的术语,指的是电路的一种输出状态,既不是高电

    03-15
下载排行榜
更多
广告
X
广告