如何降低微控制器系統中的噪聲影響（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的操作。本篇作為系列內容的最后一篇，我們將看看一些可以用來(lái)最大限度地減少噪音影響的“規則”。

我們可以使用一些黃金法則來(lái)最小化設計中的EMC。

● 保護內存/時(shí)鐘走線(xiàn)免受其他信號的影響

● 考慮對外部連接進(jìn)行濾波和/或緩沖

● 始終將高頻Vcc/Vss旁路電容靠近設備

● Vcc/Vss一直并聯(lián)走線(xiàn)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/返回走線(xiàn)，特別是對于快速信號或承載大電流的走線(xiàn)

● 考慮使用多層線(xiàn)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

讓我們更詳細地看一下其中的一些細節。

圖1

我們應該盡量保持電源線(xiàn)之間的面積盡可能小，以盡量減少潛在的天線(xiàn)。我們還應該盡量減少流向該天線(xiàn)的電流，以將任何輻射噪聲降至最低。

系統電源通常是系統中最大的內部噪聲源之一。因此，使用旁路電容和EMI濾波器設計有效的供電系統就非常重要。我們應該保持PCB上電源走線(xiàn)之間的天線(xiàn)方向圖區域盡可能小，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Vcc和Vss線(xiàn)路使用平行走線(xiàn)。

通過(guò)電源線(xiàn)連接到每個(gè)IC的旁路電容將顯著(zhù)降低噪聲，我們應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，請根據噪聲頻率范圍選擇最合適、阻抗最低的電容。對于大多數微控制器，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。

我們應該盡量減少設備之間的走線(xiàn)數量，并使每條走線(xiàn)的長(cháng)度盡可能短。MCU和其他設備之間的走線(xiàn)就像天線(xiàn)一樣，會(huì )產(chǎn)生噪聲?？梢远嗫紤]使用串行總線(xiàn)（如I2C或SPI）與外部設備通信，而不是并行總線(xiàn)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。對于典型的高頻連接，請確保走線(xiàn)簡(jiǎn)短。

對于在設計中承載大電流的走線(xiàn)需要特別小心，不要在振蕩器附近以及其他引腳（例如模式或復位引腳）附近放置大電流走線(xiàn)，這些引腳很容易受到噪聲的干擾。

我們在上一篇文章中已經(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，特別是如果您的設計使用低功耗32KHz晶體實(shí)現低功耗操作。圍繞振蕩器設計電路的最重要點(diǎn)是遵循硬件手冊中的振蕩器電路布局，并遵循振蕩器供應商的電路建議，并利用他們的振蕩器規格服務(wù)（如果他們提供此服務(wù)）（特別是對于32KHz振蕩器設計）。其他關(guān)鍵建議包括不允許其他信號線(xiàn)穿過(guò)振蕩器走線(xiàn)，因為這會(huì )導致串擾。同時(shí)使信號和電源走線(xiàn)盡可能遠離振蕩器，并且不要在MCU引腳之間接地。

微控制器系統的其他良好布局實(shí)踐還包括：

● 盡可能對Vcc/Vss使用寬走線(xiàn)和短走線(xiàn)。

● 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路徑，因此，應仔細規劃信號返回路徑，特別是對于大電流信號。

● 不要斷開(kāi)接地層，因為這會(huì )增加信號路徑阻抗。

● 考慮在I/O引腳上使用限流電阻。

瑞薩電子在RA系列微控制器內部使用了非常多的設計技術(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總線(xiàn)分離的CPU總線(xiàn)（帶內存）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)鐘系統和每個(gè)外設上的模塊停止功能。我們同時(shí)還對一些更敏感的輸入（如復位、振蕩器輸入等）使用片上噪聲濾波，并優(yōu)化I/O緩沖器和電源設計等。

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，從而降低了對振蕩器和電源管理設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)現可以大大減少外部噪聲進(jìn)入芯片的可能區域。

圖2

微控制器上的軟件功能也可用于提高整體系統對噪聲影響的抗擾度。正確使用看門(mén)狗定時(shí)器可以從EMI引起的系統崩潰中恢復應用程序。當今的許多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，另一個(gè)時(shí)鐘來(lái)自從專(zhuān)用片上振蕩器，這就是獨立看門(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(hù)即使在傳統看門(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。

應用程序本身也可用于監視其自身的進(jìn)度，并發(fā)現是否發(fā)生任何不可預見(jiàn)的操作。即使具有所有這些設計特征和技術(shù)，在噪聲進(jìn)入芯片并干擾其運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為您提供一些想法和一些思考，關(guān)于微控制器系統中的噪聲，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)現這個(gè)關(guān)于微控制器系統中噪聲的簡(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