如何防止單片機被干擾？

一、EMC定義

EMC：EMC（electromagnetic compatibility）電磁兼容，是系統能完全正常工作的能力（性能不降級）。在正常環(huán)境中，電磁兼容要求設備或系統既不受周?chē)姶艌?chǎng)的干擾而失常，又不會(huì )產(chǎn)生電磁干擾影響其他設備。

EMS：EMS（electromagnetic susceptibility）電磁耐受性，是設備或系統對噪聲干擾的抗干擾能力。EMS 等級高則設備抗擾度好；相反 EMS 等級低的設備對電磁環(huán)境極其敏感，其工作狀態(tài)受周?chē)姶怒h(huán)境影響。（所以很多地方將 electromagnetic susceptibility 翻譯為電磁敏感度，但是考慮到“susceptibility”與“sensitivity”不同，我們將采用電磁耐受性）。

EMS 主要包含快速瞬變脈沖群 EFT / FTB 和系統級靜電放電 ESD，測量用于確定器件在不理想電磁環(huán)境中工作時(shí)的可靠性水平。

EMI：EMI（electromagnetic interference）電磁干擾，是以設備為干擾源向周?chē)h(huán)境發(fā)射電磁波的等級。發(fā)射的電磁波分為傳導發(fā)射和輻射發(fā)射，傳導發(fā)射沿著(zhù)電纜或者互連線(xiàn)傳播，輻射發(fā)射通過(guò)自由空間傳播。

EMS&EMI 測試標準

依照 IEC62132-1 對于 MCU 的系統級 ESD 和 EFT 可以分為 5 種的失效模式等級。其中等級 A 是沒(méi)有問(wèn)題，BCD 是其中軟失效類(lèi)型，E 硬失效。

EMS 主要包含系統級靜電放電 ESD 和電快速瞬變脈沖群 EFT/FTB。

EMI（electromagnetic interference）電磁干擾，是以設備為干擾源向周?chē)h(huán)境發(fā)射電磁波的等級。發(fā)射的電磁波分為傳導發(fā)射和輻射發(fā)射，傳導發(fā)射沿著(zhù)電纜或者互連線(xiàn)傳播，輻 射發(fā)射通過(guò)自由空間傳播。當干擾源和受害者之間的距離通常大于一個(gè)波長(cháng) λ 時(shí)，通常會(huì )遇到這種類(lèi)型的 EMI 耦合。

靜態(tài)閂鎖（latch-up）：

Latch up 是指 CMOS 中,在電源 power VDD 和地線(xiàn) GND(VSS)之間由于寄生的 PNP 和NPN 雙極性 BJT 相互影響而產(chǎn)生的一低阻抗通路,此現象會(huì )過(guò)載產(chǎn)生高電流小號現象，此時(shí)需要斷開(kāi)電源才能恢復初始狀態(tài)。過(guò)載可以是電壓或電流浪涌、電流或電壓變化率過(guò)大或任何其他導致寄生 BJT 開(kāi)始自持的異常情況。如果通過(guò)低阻抗路徑的電流的幅度或持續時(shí)間得到充分限制，Latch up 不會(huì )損壞器件。此項測試滿(mǎn)足 JESD78E 標準。

為評估 Latch up 性能，需要執行兩項互補的 Latch up 測試：

1.電源過(guò)壓（施加給每個(gè)電源引腳）模擬用戶(hù)在電源上施加瞬態(tài)過(guò)電壓的情形。

2.電流注入（施加給每個(gè)輸入、輸出和可配置 I/O 引腳）模擬應用導致施加給引腳的電壓高于最大額定值的情況，例如因過(guò)沖/振鈴導致某個(gè)輸入的電壓嚴重高于 VDD 或低于接地。

二、MCU EMC硬件策略

1.去耦電容

MCU 的每個(gè)電源引腳都應該放置至少一個(gè)去耦電容，需要去耦電容來(lái)提供 CMOS 開(kāi)關(guān)器件 MCU 所需要的瞬態(tài)電流，以抵消輸出電感和電源 IC 互聯(lián)電感的影響。為了使去耦電容有效，應根據下面原則進(jìn)行設計以及 layout：

• 推 薦 去 耦 電 容 組 合 。建 議 在 MCU 的 VDD/VBAT 電 源 域 每 個(gè) 引 腳 上 面 并10uF+100nF+1nF，VDDA 電源域每個(gè)引腳并 1uF+10nF。

• 去耦電容擺放應該離 MCU 越近越好。當有多個(gè)去耦電容時(shí)，容值越小的電容離 MCU越近，通常 1nF 最靠近 MCU 引腳，其次為 100nF，10uF 最靠外。

• 保證電源電流先流向電容，然后再流向 MCU。如果電源引腳和 GND 引腳的相聚較遠，建議將電容擺放在靠近 GND 引腳位置，因為信號一般是以 GND 作為參考。

• 每個(gè)電容都應該有各自的過(guò)孔，嚴禁多個(gè)電容共用一個(gè)過(guò)孔。去耦電容與 MCU 引腳之間的走線(xiàn)應盡可能寬且短，以降低去耦電容與 MCU 電源引腳之間的阻抗。電源網(wǎng)絡(luò )與與去耦電容之間的走線(xiàn)應盡量窄和長(cháng)，抑或使用 VIA 隔開(kāi)，以提供高阻抗應對潛在的電源噪聲和紋波。

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2.PCB 疊層架構

在四層板設計之前，需要知道產(chǎn)品需要的層疊總厚度，選擇的介質(zhì)材料是什么，以及板子上的阻抗類(lèi)型。四層的疊層一般都是兩個(gè)信號層兩個(gè)參考層，設計時(shí)，需盡量保證 Layer2為完整 GND，并盡量減少 Bottom Layer 的電源和敏感信號走線(xiàn)。四層 PCB 推薦疊層如下：

3.電源完整性

Ⅰ.電源濾波器

每個(gè)電源必須有一個(gè)濾波器，如果該濾波器位于板上，則必須靠近穩壓器，如果是外部穩壓器，則必須靠近 PCB 入口點(diǎn)。該濾波器應根據穩壓器的紋波特性和集成電路的電源要求進(jìn)行設計，并且應至少包括兩個(gè)電容器：一個(gè)大電容器（μF）用于低頻濾波;一個(gè)用于高頻濾波的小電容器（nF）。需要干凈電源的集成電路應配備一個(gè)額外的 LC 濾波器，以避免噪聲與電路其他模塊的耦合。電源設計實(shí)例：

Ⅱ.電源拓撲

MCU 的 3.3V 電源走線(xiàn)建議采用“星狀”供電方式。每根電源管腳(Pin)的走線(xiàn)單獨從 3.3V源頭拉到芯片 Pin，在 3.3V 源頭擺放大電容。

Ⅲ.GND 完整性和鋪銅

除了 GND 和 Power 的參考層，信號層也建議進(jìn)行鋪銅作為 GND 網(wǎng)絡(luò )，避免出現死銅，以保證 GND 的完整性。信號層的 GND 銅皮需要多打 VIA 到 GND 平面，有利于減小高頻噪聲的回流面積。另外 MCU 底部的信號層建議多打 VIA，有利于散熱以及信號回流。另外對于死銅和孤島可以進(jìn)行橋接，如下圖：

開(kāi)槽和邊界。將 GND 層中模擬地和數字地分開(kāi)，通過(guò)開(kāi)槽將一個(gè)地平面上的數字地和模擬地分割開(kāi)，電源地則不用太分開(kāi)。由于模擬電路產(chǎn)生的噪聲和電流比數字電路的小幾個(gè)數量級，所以為了不引入數字地上的噪聲和電流，模擬地一般與數字地隔離開(kāi)。其措施一般是通過(guò)在數字電路與模擬電路之間開(kāi)槽隔絕，如上圖所示。在參考地平面中高頻信號會(huì )自動(dòng)尋找阻抗最?。ù_切的說(shuō)是最小電感）距離最短的線(xiàn)路。但連接模擬與數字域邏輯等低速數字電路時(shí)，通常需要在開(kāi)槽處橋接串聯(lián) 1K-5K 的電阻。當需要在模擬域與數字域連接高速信號時(shí)，例如音頻解碼主時(shí)鐘時(shí)，此時(shí)應該直通連接而不是開(kāi)槽，如圖推薦橋接方式所示，在實(shí)際應用為了終端匹配，一般在時(shí)鐘源處 50 歐姆的終端電阻。

4.Layout 布局

機箱 AC 保護地，儲卡座，RS232 和 CAN 等外設，連接器盒與信號接地電氣隔離。機殼應盡可能連接到交流機架的接地（即接地），以無(wú)害地將高壓放電分流到保護大地，而不要進(jìn)入數字或模擬接地電路。請注意，接地平面在外圍連接器的所有高速信號連接下始終是連續的，但連接器殼體與外部 AC 機箱平面隔離。

在有機殼地（保護大地/交流機架接地）的應用中，強烈建議不要將數字信號接地和交流機架接地，兩者至少保持一定距離>3.175mm（0.125 inches），用于 11-12 kV 電火花間隙隔離，以滿(mǎn)足 IEC61000-4-2 Level-4 8 kV 接觸放電將 TVS 放置在盡可能靠近外部信號連接器的位置，TVS 接地直接連接到接地層，避免接地走線(xiàn)。

高速或敏感的模擬/數字走線(xiàn)應從電路板邊緣至少布線(xiàn) 2x 倍，其中“x”是走線(xiàn)與其返回電流路徑之間的距離。與非?？拷宓倪吘壍嫩E線(xiàn)相關(guān)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)線(xiàn)的容納程度較低。從這些走線(xiàn)來(lái)看，與天線(xiàn)的串擾和耦合往往會(huì )更大，并使它們更容易受到 ESD，EMI 和 EFT事件的影響。

易感元件/電路應遠離 PCB 邊緣。最好將它們放在板子的中央。如果無(wú)法做到這一點(diǎn)，如果不使用外部保護大地環(huán)，請嘗試將它們放置在距離邊緣大于 12 mm 的位置，因為在高壓放電事件中，高頻能量會(huì )聚集在外部邊緣，尤其是成直角 PCB 主體的各個(gè)角（使用圓形的 PCB 角）。

與外部世界連接的組件應保持在 PCB 邊緣附近。其余組件應遠離 PCB 邊緣，以減少環(huán)境影響（即 ESD）。

如果將共模扼流圈或瞬態(tài)抑制器設備（例如，TVS，MOV）用于功率濾波，則應將其放置在 PCB 的入口處。在受 TVS 電路保護的電路中，來(lái)自連接器的外部信號應首先路由到TVS，然后再路由到鐵氧體或共模扼流圈，再路由到受保護的組件。

5.MCU 外圍敏感電路

Ⅰ.晶體 OSC

晶體要盡量靠近芯片 Pin，遠離諸如功率電感的磁感應器件與諸如天線(xiàn)的輻射器件，與同層其他信號走線(xiàn)利用 GND 鋪銅及 VIA 隔離。晶體輸入輸出走線(xiàn)要盡可能短且少彎折，不可跨層或交叉走線(xiàn)。兩邊負載電容與晶體各自的 GND PAD 可以相連，并擺放多個(gè) GNDVIA 以提高散熱保障。晶體下方盡量不走任何傳輸線(xiàn)，保留完整的 GND 鋪銅。晶振電路走線(xiàn)以及匹配電容應該與晶振在同一側，盡量不穿層。布局應該使晶振靠近 MCU，晶振電路走線(xiàn)不能太長(cháng)，不要超過(guò) 12mm。在晶振同層以及下一層與其他電路間隔開(kāi)，晶振電路周?chē)彩褂媒拥?VIA 形成保護環(huán)。

燒錄口 SWD。MCU 的 SWD 燒錄口走線(xiàn)應盡量短，遠離板邊 12mm。

Ⅱ.復位電路 NRST