如何降低微控制器系统中的噪声影响

凡亿PCB 2024-11-05 16:44

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在我理想的数字世界中，也是我经常梦想的，就是信号电压裕量总是正的，信号时序裕量总是正的，电源电压总是在工作电压范围内，芯片的工作环境是完全良性的。

不幸的是，我们没有人生活在这个理想的世界里，无论我多么想。现实世界是嘈杂的和让人不愉快的，我们设计中的供电从来都不是完美的。电源电压可能降至正常工作电压范围以下，从而导致系统故障；开关瞬变会产生噪声并降低信号裕量；阻抗不连续性会使信号失真，从而降低信号裕量等等。

图1

更糟糕的是，因为应对静电放电，雷电浪涌导致的系统中断或破坏，我们还把来自内部和外部源的噪声进行了辐射或传导，同时热应力、机械应力和组件老化等等都可能导致系统故障。在这个简短的系列博客中，我想看看其中的一些问题，以及我们可以应用于设计的一些措施，以消除或至少最小化其中一些问题。

在本篇文章中，我想看看一些典型的噪音源。此处表格显示了电磁兼容性（EMC）的两种类型。EMC被定义为电子设备在其预期的电磁环境中正常运行的能力。

EMC包括两种不同的类型：EMI（电磁干扰）以及EMS（电磁耐受性）。EMI通常被称为辐射噪声，是指设备本身在执行正常功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声，而EMS被称为噪声敏感性，是指设备在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。

在下表中，您可以看到不同类型的EMC及其引起的典型现象。第三列列出了一些可能受到EMI和EMS影响的典型产品，导致操作干扰或系统损坏。此列表只是做了一些简单举例，目的是为了显示一些典型案例。

图2

25年前，像瑞萨H8系列这样的产品，采用的是当时相当先进的工艺技术实现，使用1.0μm甚至0.8μm CMOS技术。但今天的产品采用了先进得多的工艺技术，像我们RA微控制器系列中的最新产品采用的是40纳米技术，线宽比以前使用的H8小25倍。

随着最新器件中的晶体管尺寸变小，更重要的是，晶体管开关频率变快，噪声成为导致器件故障的一个日益增加的因素。

图3

在上图中，您可以看到使用新旧技术的器件之间的简化比较，上半部分显示的是沟道长度为1μm的晶体管操作，该器件通常以当时的8 MHz快速时钟工作，晶体管开关速度较慢，信号宽度远比噪声宽度要宽，而下半部分为晶体管沟道长度为40nm的新器件，工作频率高达200 MHz或更高，这样在同样的噪声条件下，区分噪声与有效信号就会变得更困难。同时在这种情况下，你可以看到切换时间要快得多，对于最新的设备，我们试图处理的信号可能比噪声信号快。因此，当我们转向更小的工艺制程时，噪声将成为一个更大的问题。瑞萨在芯片设计上采取了许多相对应的措施，设计了有助于在这种环境下工作的功能，比如精心设计的电源电路，优化的I/O缓冲器以及专业的保护电路等。但尽可能地在应用设计中减少这些噪声仍然非常重要，因为如果噪声最后进入设备，都是很难消除的。

下面，我们将更详细地介绍一些典型的噪声源。

外部噪声源通常是系统可靠运行的最大威胁之一，我们必须在环境中管理许多噪声源。这些可能包括电源的开关噪声；工业机械、电机等产生的火花引起的噪声；继电器、变压器、蜂鸣器、荧光灯等的感应噪声；静电放电，通常来自用户身体，但也来自其他地方；当然还有闪电。

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内部噪声可能来自多种来源。PCB上的电流环路可能是辐射噪声的重要来源。如下图所示，如果电流在由MCU及其I/O信号形成的闭环中流动，则该电流环路可以像天线一样工作，并且可以辐射出显著的噪声，尤其是在电流很大的情况下。

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如果您的接地层设计不当，PCB不同部分的接地之间存在电压差，则电流可以在这些接地点之间流动；这就像天线一样，噪声也可以辐射。辐射噪声的其他内部来源还可能包括设计不良的振荡器电路。我们始终建议您与振荡器制造商讨论使用合适的振荡器，以确保它在您的系统中具有稳定的性能，并遵循推荐的电路参数和接地设计。这一点尤其重要，因为设计不良的振荡器不仅会将噪声注入电路的许多部分，尤其是接地，而且设计不当的振荡器电路也容易导致芯片故障。

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另一个可能产生内部噪声的常见区域是I/O系统，尤其是在外部总线上使用多个高速设备时。设计不良的I/O系统如果不注意避免过冲或下冲，可能会导致设备超出其电气规格，这可能会随着时间的推移损坏芯片，导致故障，并增加系统的功耗并将噪声辐射到系统的其余部分。

虽然现在的微控制器（例如RA和RX微控制器系列中的器件）具有避免闩锁的电路设计，但尽量避免发生这种情况仍然是很好的做法。噪声会影响典型微控制器的任何引脚。并且，微控制器系统引脚对噪声又特别敏感，因为这些引脚通常控制芯片的基本操作，而此处由噪声引起的故障可能导致芯片故障。因此，应该特别注意确保使噪声干扰系统引脚正常工作的可能性降至最低。

图4

典型微控制器上的系统引脚可以包括复位引脚、电源引脚、振荡器引脚以及模式或特殊功能引脚。为了尽量减少噪声干扰这些引脚的机会，我们应该特别小心，确保电源引脚具有稳定的电压电平和所需的滤波，并且接地层中没有任何电流环路；我们应该确保振荡器尽可能靠近芯片放置，布局遵循供应商的建议；并且保护好复位引脚不受快速瞬态信号的影响。

来源：Clark&Jackie AntLing 瑞萨嵌入式小百科

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