單片機的電池兼容性設(shè)計說明

1、單片機電磁兼容設(shè)計1 背景知識本應用筆記討論了如何設(shè)計一個考慮電磁兼容性的MCU應用系統(tǒng)。幾乎所有消費電子、汽車和工業(yè)應用現(xiàn)在都有一個 MCU，而且在大多數(shù)情況下是一個便宜的單芯片MCU 。由于其靈活性和集成性，微控制器非常適合這些應用。典型的單片機有CPU、RAM、ROM、IO口，可以定制化功能模塊，如模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、LCD驅(qū)動、基于TV應用的屏幕顯示、基于DTMF的DTMF發(fā)生器、交流電機驅(qū)動電路和 EEPROM。隨著微控制器功能的增加并變得更加復雜。隨著市場價格的下降，MCU 制造商必須不斷降低制造成本。減小片上晶體管和柵極的尺寸可以做到這一點，它還可以幫助生產(chǎn)可以在更高頻率下運行的 MC

2、U。當晶體管減少時，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換時間將減少。根據(jù)傅里葉分析，信號邊緣的快速變化會產(chǎn)生諧波信號，這些信號會被放大并導致輻射問題。同樣，如果設(shè)備具有快速轉(zhuǎn)換時間，它們將對輸入更快的信號產(chǎn)生影響。高頻噪聲尖峰和錯誤信號將導致門狀態(tài)轉(zhuǎn)換。大多數(shù)現(xiàn)代 MCU 的運行速度在 2MHz 到 40MHz 范圍內(nèi)，一些設(shè)備的轉(zhuǎn)換速度從幾納秒到不到一納秒不等，這使其成為潛在的 EMC 問題。2 EMC - 電磁兼容性許多電子電路彼此靠近，必須確保它們不受外部噪聲源的影響，并且這些電路本身不會成為影響其他電路的噪聲源。這種關(guān)系稱為電磁兼容性。EMC問題可以分為輻射問題和感知問題。輻射問題和感官問題都可以是傳導性的或輻

3、射性的。例如，圖 1顯示了一個辦公室復印機向外部環(huán)境發(fā)送射頻信號的示例。此射頻信號會導致顯示器顯示故障，并且是輻射 EMC 問題。同樣，復印機將噪聲輻射到電源線上，進而傳導到計算機顯示器的電源線上，通過傳導導致故障。由于設(shè)計不佳和強大的射頻噪聲發(fā)射，顯示器可以被認為是復印機電磁干擾的受害者。顯示器的設(shè)計可能被認為存在缺陷，無法處理電子辦公設(shè)備中存在的背景環(huán)境噪聲。圖 1 電磁兼容案例3識別EMC 問題在早期或全面生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn) EMC 問題具有很高的價值，這可能導致 PCB 板的重新設(shè)計。因此，產(chǎn)品的EMC應該在設(shè)計的早期階段就考慮進去。但是，無論在哪個階段發(fā)現(xiàn)EMC問題，首先要問的問題是：“這個

4、 EMC問題是輻射問題還是感官問題？”當然，下一個問題應該是：“MCU 輻射噪聲會影響其他電路嗎？還是外部產(chǎn)生的噪聲導致 MCU行為異常？”3.1 輻射問題來自數(shù)字源的輻射通常是由高頻時鐘產(chǎn)生的高頻諧波。這些輻射通常是由電源和數(shù)字信號環(huán)路中的開關(guān)電流的輻射以及市電轉(zhuǎn)換為數(shù)字電源時的開關(guān)電流引起的。這些開關(guān)電流像小型天線一樣循環(huán)并輻射差模磁場。此外，任何電阻和電感路徑都會導致電路中的電壓降，這將使電路的某些部分相對于地處于共模電位。問題的主要原因，因為硅上的環(huán)路面積比 PCB 上的小幾個數(shù)量級。輻射可能來自電源，因為數(shù)字芯片中的所有電流都通過這里。端口引腳被設(shè)計為具有更高的驅(qū)動能力，因此尺寸通常

5、較大，這增加了電容以確保數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換比部分電路的轉(zhuǎn)換慢。因為端口引腳通常由軟件控制，所以它們的轉(zhuǎn)換比電路的 MCU 部分的轉(zhuǎn)換要慢。這意味著端口引腳通常沒有輻射問題。唯一的例外是當端口引腳驅(qū)動大電流時，磁場強度與開關(guān)電流成正比，也與環(huán)形天線面積成正比。解決問題的方法是減小電流或減小環(huán)路面積。在大多數(shù)情況下，改變的是循環(huán)區(qū)域。 MCU 的最快外部參考頻率是晶振電路頻率。如果使用晶體振蕩器電路，該信號通常近似為正弦波。由于晶振電路很小，信號類似正弦波，高次諧波衰減很大，不會影響其他電路。如果時鐘來自外部，請注意將信號路由到盡可能靠近接地平面的位置，以盡量減少環(huán)路。對于帶有外部存儲設(shè)備甚至微處理器

6、的 MCU，輻射問題可能更加嚴重。例如，此時的主要噪聲源是運行外部存儲器的時鐘，它的轉(zhuǎn)換非?？?，布線沒有經(jīng)過深思熟慮，并且接地回路很長。這使得時鐘信號就像一個強大的環(huán)形天線，輻射時鐘信號和高次諧波。低地址和數(shù)據(jù)線的位置不當也會導致問題，但減少電流環(huán)路會有很大幫助。3.2 感覺問題大多數(shù) MCU 采用 CMOS 技術(shù)設(shè)計，并根據(jù)鎖存器和觸發(fā)器的原理運行，以形成更復雜的功能。由于它們的同步特性，糟糕的時鐘電平很容易導致故障。任何 CMOS 器件都有噪聲容限，超出該容限就會導致故障。通常有四種類型的故障：MCU 暫時跌倒，然后自行恢復。MCU出現(xiàn)故障后中斷或復位恢復正常。后斷電，上電恢復。MCU 發(fā)

7、生故障并鎖定，造成永久性損壞。如果故障屬于第 1 類和第 2 類，由于這兩種故障的不規(guī)律發(fā)生，最終用戶可能永遠看不到。但是，如果故障屬于第 3 類和第 4 類，則必須將其視為免疫問題，并且不被任何制造商接受。類型 4 故障對于其域類的第一次出現(xiàn)是必要的，因為在設(shè)計階段發(fā)生的故障可能會停止產(chǎn)品發(fā)布。如果在產(chǎn)品的設(shè)計階段沒有進行 EMC 測試，此類故障將是不可預知的。4 解決電磁兼容問題通過特別注意以下三個方面，可以提高所有 MCU 應用的電磁兼容性：PCB布局看門狗電路防御性編程4.1 PCB 布局PCB布局是MCU免疫故障最常見的觸發(fā)因素。通過關(guān)注MCU 的三個關(guān)鍵方面，可以提到其高電磁兼容性

8、。三個關(guān)鍵的地方是：電源接線晶振電路輸入引腳4.1.1電源電源上的任何噪音無疑都會導致故障。如果 VDD 或 VSS 線不穩(wěn)定，則某些電路（如觸發(fā)器和反相器）可能會改變狀態(tài)，從而導致故障。同樣，如果電流發(fā)生大而快速的變化，則可能會出現(xiàn)更強的輻射。通常，任何不需要的高頻信號都必須通過低阻抗接地路徑衰減。因為所有的信號電流都流過VSS和VDD，所以信號線要盡量靠近VDD和VSS，以減小電流環(huán)路面積。使用具有接地層和電源層的多層 PCB 總是更好，因為這總是最小化所有電流回路的面積并減少信號線之間的互感。在低成本應用中，一般的多層PCB板是降低成本的關(guān)鍵，所以經(jīng)常使用雙面或單面板。因此，要解決電磁兼

9、容性問題，需要更多地關(guān)注PCB設(shè)計的其他方面。，并且盡可能靠近微控制器去耦可以減少互感。細線對高頻電流具有高阻抗，這意味著通過它們的電流會產(chǎn)生電位差。通過確保 VSS 和 VDD 具有用于快速變化的電流的低阻抗路徑（取決于器件的直流電源的產(chǎn)生方式），可以提高電磁兼容性。圖 2 顯示了通過交流電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生直流電源的最常用方法。交流電源通過降低電壓得到較小的交流信號，通過橋式整流得到直流電壓，再經(jīng)過濾波或平滑，再經(jīng)過穩(wěn)壓器。在這種情況下，任何金屬附件都應連接到地線。由于去耦電容的存在，高頻信號在 VDD 和 VSS 處的電位會相同。圖 2 中開關(guān)電流流向的低阻抗路徑是 VSS 路徑。圖2 一種將交

10、流電轉(zhuǎn)換為直流電的典型方法注意如果配件之間的連接不良，那么較高的接地阻抗會導致較高的差模電壓。這反過來會導致更糟糕的結(jié)果。對于該電路，任何高頻信號線都應與 VSS 去耦，以避免串擾和輻射。在一些低成本應用中，直流電源的產(chǎn)生略有不同。另一種電路如圖 3 所示。圖中，高壓二極管和電容器連接到電源，形成半波整流器。然后通過一個平滑電容器消除紋波，一個齊納二極管連接到電源，其陽極浮動。圖3 低成本交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源的方法此時，通向帶電電源線的 VDD 電源線的低阻抗路徑。在這種情況下，高頻信號線和VSS地線之間的去耦將無助于單片機的電磁兼容性。在一定程度上，對于這類電路，高頻信號線與VDD電源線的

11、去耦更為合理。電源去耦不足是常見故障。通常在電源之間連接一個標準的 0.1uF 電容器。該電容器對低頻噪聲有效，并確保為 MCU 提供良好、穩(wěn)定的電流。但是，如果 MCU 在 40MHz 及以上工作時存在輻射或抗擾度問題，則 0.1uF 電容可能對降低衰減沒有太大作用。由于即使在 SOIC 封裝中的所有電容器都具有部分電感和引線電感，所以典型的去耦電容器的電感約為 5nH。這意味著并聯(lián)諧振將發(fā)生在大約 7MHz 的頻率上，經(jīng)過感抗后，它將成為高頻中的主要分量。盡可能靠近電源線安裝一個 1 到 10nF 的電感器會產(chǎn)生良好的效果（諧振頻率將高于 20MHz）。在設(shè)計單層PCB時，選擇合適的去耦電

12、容會對它的電磁兼容性產(chǎn)生重要影響。4.1.2晶體振蕩器晶振電路（如圖4所示）由與晶振或瓷振相連的反相器組成，該反相器位于MCU部分。與它相連的還有一個反饋電阻和一些小值去耦電容（用于減少壓電設(shè)備產(chǎn)生的諧波） 。圖 4 典型的振蕩器電路MCU部分的反相器具有較高的輸入阻抗和輸出阻抗。其輸出驅(qū)動能力低，以確保不損壞晶體。振蕩器的輸出同時進入另一個緩沖器，然后進入預分頻器。分頻器將振蕩器時鐘除以 2，為 CPU 提供穩(wěn)定的 50% 占空比時鐘。CPU通過高速轉(zhuǎn)換建立地址并在下降沿捕獲數(shù)據(jù)。設(shè)計為在 2MHz時鐘下工作的 CPU可以在 4MHz 時鐘下工作。 MCU 的速度限制由 CPU 的能力決定。

13、如果振蕩電路中有任何噪音，則可能會發(fā)生 CPU 故障。故障原因如圖5所示。圖5(A)中是所需的振蕩時鐘，它可以通過分頻器為CPU提供一個占空比為50%的周期信號。圖 5(B) 是晶體振蕩器電路中混合的噪聲尖峰的結(jié)果，它導致 CPU 時鐘占空比不再是 50%。這意味著CPU無法正確建立程序計數(shù)器的地址或無法獲取正確的數(shù)據(jù)，導致CPU程序跑路。如果噪聲尖峰僅出現(xiàn)一次，則通過看門狗的復位操作可以使 CPU 恢復正常運行。圖 5 振蕩電路中毛刺的影響確保振蕩器設(shè)計在最干凈的電磁環(huán)境中可以通過以下方式實現(xiàn)：1. 使晶體和其他振蕩器組件盡可能靠近 OSC1 和 OSC2 引腳。避免長 PCB 走線，因為長

14、走線對充當應用中高頻信號的天線。2. 用接地保護回路圍繞振蕩器電路，減少回路面積。3.通過去耦使晶振電路到阻抗最小的路徑。4. 使任何快速變化的信號遠離振蕩器線路。圖 6 是典型的振蕩電路 PCB 布局圖 6 MC68HC05P3 的典型振蕩器 PCB 布局4.1.3輸入引腳保護輸入引腳也很重要，尤其是 RESET 和 IRQ 引腳。較高的 IDD 電流通常表明輸入引腳懸空未使用。這是由 N 溝道和 P 溝道晶體管柵極的影響引起的。如果不使用該引腳，其電平在 VSS 和 VDD 之間浮動。在這種情況下，正負器件都導通，這使得 VSS 和 VDD 呈現(xiàn)阻抗。因此，電流流過這兩個晶體管。在輸入緩沖

15、之后，一個電平預計占主導地位，其后的門預計將處于靜態(tài)。但是，附近的任何噪聲波動都可能導致緩沖器輸出轉(zhuǎn)換，進而導致其后的門改變狀態(tài)并增加功耗。如果緩沖狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻率足夠高，MCU 部分中其他電路之間的串擾可能會導致故障。一般來說，所有靠近高頻信號的輸入引腳都應該連接到硬件低通濾波器或一些小的去耦電路。通常 RESET 引腳不會懸空，因為在這種情況下 MCU 將無法正常工作。通常情況下，RESET引腳連接到 PCB 上的其他設(shè)備或電路。雖然 RESET 通過連接上拉電阻避免了引腳懸空，但該導線充當高頻信號的天線，并收集足夠的能量以形成小脈沖。這將導致 MCU 未知或部分復位。指定，RESET 脈沖必

16、須持續(xù)超過兩個 CPU 時鐘以確保正確復位。這些引腳通過去耦實現(xiàn)低阻抗返回，并且去耦盡可能靠近引腳。這允許衰減高頻噪聲。并提高MCU的免疫性能。另一點是盡量減少邊沿觸發(fā)的中斷。如果中斷可以被電平觸發(fā)，那么這可以確保中斷引腳上的噪聲不會導致不希望的行為。如果不能被電平觸發(fā)，那么一旦進入邊沿觸發(fā)模式的中斷，軟件就會檢測該引腳的電平是否正確。這種方法是可行的。4.2 看門狗電路看門狗電路通常被描述為必須由 MCU 以一定間隔更新的硬件電路或?qū)е?MCU 復位的電路。最好有一個外部看門狗電路，因為它獨立于 MCU 。如果 MCU 未能成功更新看門狗，看門狗電路會給 MCU 一個復位信號?？撮T狗通常包含

17、一個硬件定時器。如果沒有來自 MCU 的更新或報告信息，則計時器將到期。圖 7 是一個簡單的看門狗電路：圖 7 外部看門狗電路上電時，MCU 通過上電復位保持復位狀態(tài)。看門狗的時鐘可能來自外部時鐘源，也可能來自單片機的晶振電路。當 MCU 處于復位狀態(tài)時，IO 引腳作為輸入，計數(shù)器處于運行狀態(tài)。如果 Q 為 0 且 C1 充滿電，MCU 將退出復位。MCU 的第一個任務(wù)是發(fā)出一個脈沖以將計數(shù)器重置為已知的超時值。 MCU 的 I/O 端口是交流耦合的，以確保只有邊沿才能再次觸發(fā)計數(shù)器。這可確保恒定的 DC 電平不會禁用 MCU 或看門狗。在 Q 輸出變?yōu)?1 之前，MCU 必須發(fā)送一個脈沖以確

18、保 MCU 不會復位。通常，MCU 需要兩條軟件指令。另一個最佳選擇是讓 MCU 具有片上看門狗（圖 8）。例如，摩托羅拉的 MC68HC 705C8 帶有一個包含可編程定時器的看門狗。它必須在大約 32768 個時鐘周期內(nèi)更新，否則會產(chǎn)生部分復位信號。圖 8 片上看門狗CM1/CM0 位用于選擇超時周期。 COPE 位只能寫入一次，看門狗使能后，除了復位之外，不能通過任何方式禁用。 COPE 位是一個標志，它告訴用戶復位信號是來自看門狗還是其他原因。刷新看門狗的順序是向COP復位寄存器（COPPRR）寫入兩次，順序是向COPPRR寫入$AA，然后寫入$55。并非所有 MCU 在 PCB 板上

19、都有看門狗電路，但有時軟件設(shè)計人員可以使用未使用的中斷實現(xiàn)自己的看門狗。例如，MC68HC05P1 沒有看門狗，但有一個 16 位自由運行定時器。該定時器可以在以下三種情況下產(chǎn)生中斷：1. 定時器溢出（FFFF 到 0000）。2.輸出比較。 （16 位寄存器與定時器的計數(shù)器進行比較）。3. 捕捉 TCAP 引腳上的上升沿或下降沿。例如，如果輸出比較中斷未激活，則可以用作假看門狗。但在這種情況下，定時器將與輸出比較寄存器進行比較，然后檢查系統(tǒng)中是否一切正常。如果系統(tǒng)運行正常，則程序從中斷中返回。如果發(fā)生異常，程序?qū)⑻D(zhuǎn)到初始化例程并重置堆棧指針。更新程序中的看門狗并不是一項簡單的任務(wù)，更新看門

20、狗通常是程序結(jié)束前的最后一步。通常，用戶需要檢測使用的中斷例程和子例程、關(guān)鍵和非關(guān)鍵應用程序的軟件流量和時序。理想情況下，最好在整個程序中進行一次看門狗刷新，但 MCU 包含大量程序，因此很少能成功。如果可能，看門狗刷新程序不應放在中斷或子程序中，而應放在主循環(huán)中。注意刷新率不能太高，否則會降低程序從失控狀態(tài)恢復的機會。4.3 預防性編程通過簡單的預防性編程，可以大大提高單片機的免疫性能。預防性編程的優(yōu)點是實施成本低，如果實施得當，還可以降低 PCB 布局硬件的成本。4.3.1更新端口引腳預防性編程的最簡單示例之一是不斷更新 I/O 引腳和重要寄存器。在大多數(shù) MCU 應用中。軟件中會有一個定

21、期執(zhí)行的主循環(huán)。在結(jié)構(gòu)上，I/O 管腳靠近焊盤并靠近集成芯片的邊緣。當一定量級的噪聲由 MCU 主導時，它將通過芯片邊緣傳播到硅片。這意味著芯片邊緣的邏輯最容易受到外部噪聲的影響，例如輸入和輸出電路。因此，可以通過以一定的時間間隔更新數(shù)據(jù)寄存器和數(shù)據(jù)方向寄存器來降低故障的威脅。4.3.2輪詢輸入通過多次讀取輸入引腳并使用讀數(shù)的平均值作為正確值來進行噪聲過濾。按鍵的典型應用是在軟件中進行輪詢，然后以 10 毫秒的周期再讀取幾次，以確保發(fā)生實際的按鍵操作。這種形式的輪詢稱為去抖動保護。對于高頻輪詢，以下是 HC05 的代碼。BSR Read_RX_pin讀取_RX_pin：not_a_one：BR

22、SET RX，端口 A，not_a_zeroBRSET RX，端口 A，not_a_zeroBRSET RX，端口 A，not_a_zero* 一個邏輯 0 被讀取了 3 次，所以這是一個 0即時戰(zhàn)略not_a_zero：BRCLR RX、端口 A、not_a_oneBRCLR RX、端口 A、not_a_oneBRCLR RX、端口 A、not_a_one* 邏輯 1 被讀取 3 次，所以這是 0即時戰(zhàn)略該程序?qū)⒖焖龠B續(xù)讀取端口。如果端口的三個讀取都相同，CPU 會在讀取時返回進位標志，這是 HC05 CPU 的 BRSET 和 BRCLR 的固有特性。這個程序的問題是，如果輸入引腳處于非常

23、嘈雜的環(huán)境中，CPU 可能會長時間停留在中斷程序中，這會影響系統(tǒng)的實時性能。更好的程序是對輸入引腳進行多次讀取并增加寄存器值。如果寄存器的值小于一個數(shù)字，則認為輸入為0，否則為1。這個中斷程序總是可以在有限的時間內(nèi)退出，保證應用程序的所有功能不受阻礙。讀取_RX_pin：CLRA ;清空累加器LDX #$06 ;X 寄存器加載讀取次數(shù)BRCLR RX、端口 A、no_inc印加DECXBNE 重讀即時戰(zhàn)略* 主要的 *JSR Read_RX_pinCMPA #3BLO it_was_zeroBHI it_was_one4.3.3令牌傳遞在關(guān)鍵任務(wù)中，令牌傳遞保證以受控的方式進入任務(wù)，而不是失控

24、的情況。圖 9 顯示了一個簡單的令牌傳遞示例。此令牌使用 RAM 中未使用的位置。在應用程序的特定時間間隔，軟件將輪流向這些未使用的 RAM 寫入 1 。在運行關(guān)鍵任務(wù)之前，會檢查循環(huán)寫入 1 的結(jié)果。如果測試通過，任務(wù)將執(zhí)行。如果測試失敗，MCU 會以意外跳轉(zhuǎn)進入任務(wù)，此時會跳轉(zhuǎn)到初始化程序。圖 9 令牌傳遞的簡單示例4.3.4未使用的內(nèi)存在大多數(shù)應用中，可能不會使用某些程序存儲器。如果在某些情況下程序計數(shù)器損壞并跳轉(zhuǎn)到未使用的內(nèi)存中，那么將進行一些可能的控制。如果我們將 SWI 程序放在未使用的內(nèi)存中，任何對未使用區(qū)域的無意訪問都會導致 MCU 獲取 SWI 中斷向量。當 MCU 應用中的

25、其他功能需要 SWI 中斷時，可以按照這里的示例填充未使用的區(qū)域。組織機構(gòu) $3600未使用區(qū)域：9D NOP9D NOPCC 21 21 JMP Known_place9D NOP9D NOPCC 21 21 JMP Known_place等等組織機構(gòu) $2121Known_place: CC 01 00 JMP Reset_routine注意：未使用的區(qū)域被 9D 指令和條件跳轉(zhuǎn)到 Know_place 填充。當 MCU 進入這個已知位置時，它將被迫跳轉(zhuǎn)到初始化程序。4.4 測試免疫性能現(xiàn)在很多EMC檢測中心對電子產(chǎn)品進行免疫和輻射檢測，這些都是產(chǎn)品進入國家要求的。通常這些測試會在幾天內(nèi)完

26、成。如果產(chǎn)品未能通過測試，所需的成本和設(shè)計時間將會增加，從而延遲產(chǎn)品的上市時間。為避免違反 EMC 規(guī)定，可以在實驗室環(huán)境中進行一些低成本的測試。對于 MCU 應用，兩種類型的傳導測試給出了最好的結(jié)果。如果 MCU 應用程序通過了傳導抗擾度測試，則該應用程序不太可能無法通過輻射抗擾度測試。4.4.1靜電放電槍靜電放電槍是一種相對便宜的工具，可以幫助找到數(shù)字電路中的高頻電感。這把槍最初是為了確保設(shè)計不會被高壓靜電損壞。高壓靜電由人體產(chǎn)生并通過接觸釋放。我們可以獲得便攜式 ESD 槍，這些槍由電池供電并經(jīng)過編程，可以智能地設(shè)置不同的工作電壓數(shù)量級。由于便攜性，EMS 槍可用于許多應用的免疫性能測試。 ESD 槍通常為用戶提供兩種類型的尖端：空氣放電尖端和接觸放電尖端（參見圖 10）?？諝夥烹娂舛耸乔蛐蔚?，而接觸放電尖端是錐形的。圖 10 空氣放電尖端和接觸放電尖端示例使用接觸放電，尖端可以放置在 PCB 走線或器件的