如何降低微控制器系統(tǒng)中的噪聲影響（3）

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，特別是對(duì)于快速信號(hào)或承載大電流的走線

● 考慮使用多層線路板，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)該盡量保持電源線之間的面積盡可能小，以盡量減少潛在的天線。我們還應(yīng)該盡量減少流向該天線的電流，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上電源走線之間的天線方向圖區(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線路使用平行走線。

通過(guò)電源線連接到每個(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)備之間的走線數(shù)量，并使每條走線的長(zhǎng)度盡可能短。MCU和其他設(shè)備之間的走線就像天線一樣，會(huì)產(chǎn)生噪聲。可以多考慮使用串行總線（如I2C或SPI）與外部設(shè)備通信，而不是并行總線通信，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)確保走線簡(jiǎn)短。

對(duì)于在設(shè)計(jì)中承載大電流的走線需要特別小心，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，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)線穿過(guò)振蕩器走線，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_。同時(shí)使信號(hào)和電源走線盡可能遠(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使用寬走線和短走線。

● 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)總線分離的CPU總線（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┧伎迹P(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