基于微控制器應用的EMC設計

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)兩個部分。EME描述的是器件在測試(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)設計中，EMC變得越來越重要。如果設計的系統(tǒng)不干擾其它系統(tǒng)，也不受其它系統(tǒng)發(fā)射影響，并且不會干擾系統(tǒng)自身，那么所設計的系統(tǒng)就是電磁兼容的。

　　在電磁兼容設計中，“受害方”的概念通常指那些由于設計缺乏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免持鑰匙入車(Keyless-Entry)模組中的寬帶接收器或者是車庫門開啟裝置接收器，由于接收到MCU發(fā)出的足夠強的雜訊，這些模組中的接收器會誤認為接收到了一個遙控信號。

　　從長遠角度來看，電磁環(huán)境噪聲在一個給定的空間內(nèi)是增長的，如圖1曲線所示，當在電子設備的抗干擾性高于電磁環(huán)境噪聲任何點時，電子設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關門限(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)境噪聲長遠發(fā)展趨勢

　　二、MCU中存在的EMC

　　MCU一般包括通用型和專用型兩類，大部分都采用了各種不同形式的EMC技術，其中在用戶端無任何措施的情況下，有些技術是還是有效的，其它則需要適當?shù)牧粜腜CB設計。因此可以說，雜訊來源主要有兩部分∶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)點同步開關產(chǎn)生的電源和地線上的電流;輸出管腳信號的變換;振蕩器工作產(chǎn)生的雜訊;開關電容負載產(chǎn)生的片上信號假像。根據(jù)經(jīng)驗，實際應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)核和外部引腳是沒有關聯(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)以及保護電路。所以，大多數(shù)MCU的I/Oring電源和內(nèi)核電源是分開的。

　　圖2∶典型的MCU布局

　　(1)振蕩器

　　當涉及到時鐘和窄帶雜訊，大家自然而然地就會想到振蕩器。圖3顯示了NEC公司典型MCU的石英振蕩器信號X1和X2的措施。雖然信號不是完全的正弦波形，但比較接近。事實上，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較低的，因此MCU的石英振蕩器引起的噪音輻射相當?shù)?。然而，信號形狀和其頻譜可能大大有別于其它類型的振蕩器，例如RC振蕩器。

　　圖3∶MCU的石英振蕩器引起的噪音