2.5 系统区
一次处理所有EMC问题是一项非常复杂的任务。因此把系统分成更小的分系统或区,分别进行处理,这是一个好主意。在某些情况中,区可以仅仅是印刷电路板(PCB)的不同区域。重要的是控制某个区内发生的事情,以及这些区如何相互影响。对于每个区,设计者应该知道这个区可能发出什么样的噪音。进出一个区的所有线可能需要某种过滤器。知道噪音可能如何从一个区辐射到另一个区也很重要。对于发出很大噪音的和(或)非常敏感电路的本地屏蔽可能是必要的。切分系统可以以下面两种方法或联合使用它们来进行:
•这些区可以彼此远离来放置,把产生噪音的电路与敏感的电路分开。
•这些区可以放在彼此的内部。进出最内部区的噪音必须通过若干层的过滤器和(或)屏蔽。总的噪音降低将比用一层所接收的更有效。
2.6 RF抗扰性
长的I/O和电源电缆通常可以充当很好的天线,把外部世界的噪音收集起来,传入系统。对于没有屏蔽的系统,长的印刷电路板(PCB)电路路径也可以充当天线。一旦进入系统内,这个噪音就可以耦合到其它更敏感的信号线中。因此允许进入系统的RF能量保持尽可能很低是非常重要的,即便是输入线路本身没有连接到任何敏感电路也是如此。这可以通过增加下列的一个或者多个元件来进行:
•串接电感和铁氧体小珠将降低到达微控制器引脚的高频(HF)噪音量。它们将使高频(HF)具有高阻抗,而使低频率信号具有低阻抗。
•输临线路中的去耦合电容器将把HF(等价串联电阻)。这比高电容值更重要。电容器与电阻器或电感器结合,将形成低通过滤器。如果系统被屏蔽,电容器应该直接连接到屏蔽上。这将根本阻止噪音进入系统。也有专门设计用于此目的的馈通电容器,但可能会很昂贵。
•现在许多厂家都提供在同一封装内结合电感器和电容器的专用电磁兼容性(EMC)过滤器,它们形状多样,部件值也多样。
2.7 ESD和瞬变
处理ESD通常都相当简单:确保用户不能触及到系统的敏感部分。在大多数情况下,这由设备外壳负责,只有离开系统的I/O引脚才需要特殊注意。然而,ESD放电可能在附近的线路上引发电流,在这些部件上引起信号的不正确值。
记住,ESD脉冲和其它类型的瞬变都是非常高频的现象,杂散电容和电感对它们的表现有着很重要的影响。一条线中的瞬变可能会影响到附近其它信号的表现。重要的是确保最有效的接地路线不会影响系统。例如,如果ESD脉冲最有效的接地路线是沿着I/O线路,到达微控制器引脚,通过ESD保护二极管,然后接地,那么逻辑高输入可能被读作低输入。如果系统软件对此不能处理(通常会是这样的),那么系统要求能创建受控接地线的某种硬件。当然,上面列出的RF过滤器也对ESD和瞬变起作用,在某些情况下,这可能也就足够了。但是把4KV的峰值降低到4V,需要一个非常强大的过滤器。这可以通过大型串联电阻器进行,但这并不总是个好的选择。输入线路上的大型串联电阻器将增加上述连接地线的阻抗。过压保护器是一种更好的解决方案。这样的保护器有许多类型,它们大部分都充当快速齐纳二极管。只要I/O线路电压在指定的限制内,它们将有很高的接地阻抗,但是当电压太高时,将转换到很低的阻抗值。这样,瞬变就被很有效地短接到地。
3、电源、电源布线和去耦电容器
微控制器产品的EMC问题最普通的原因之一就是电源不够好。电源的正确和足够的去耦对于稳定的微控制器表现,以及对于最大程度减少设备发出的噪音都是非常关键的。看到AVR微控制器的数据表,人们可能被愚弄,以至于相信电源不重要。设备具有很宽的电压范围,并且只吸收几毫安电源电流。但是,就像所有的数字电路,电源电流是一个平均值。该电流在时钟边缘上以很短的峰值被拉制,而且如果I/O端口线路转换,峰值甚至会更高。如果一个I/O端口的所有8条I/O线路同时变化,电源线上的电流脉冲可能有几百mA。如果I/O线中没有加载,脉冲将只有几毫微秒(ns)。这种电流峰值不可能是通过长的电源线产生的,主要的来源是(或应该是)去耦电容器。
图1显示了去耦不足一个例子。电容器离微控制器太远,产生了很大的高电流环路。这里的电源和接地平面是高电流环路的一部分。因此,噪音更容易传递到板上其它设备上,并且板上的辐射散发甚至进一步增加。整个的接地平面,而不仅仅是高电流环路,将充平面(一般为安装孔中的部件),而且去耦合电容器同样连接,那么将会是这样。如果集成电路放在板的一边,电容器在另一边,那么带有表面安装部件的板同样也可以看到。
图2显示了电容器的更好放置。作为高流环路一部分的线路不是电源或接地平面一部分。这非常重要,因为不这样,电源和接地平面将会散发很多噪音。
图3显示池去耦的另一种改进。它插入了一个串联电感器,来减少电源平面上的开关噪音。当然,电感器的电阻值必须足够低,以保证将没有显著DC电压下降。
通常,电源和接地平面靠得很近的AVR设备(如AT90S8515)具有更好的去耦能力,这些设备的电源和接地引脚位于DIP封装的对角。这个缺点可以通过使用TQFP封装来克服,它允许把去耦电容器放置到离管芯很近的地方。对于具有多对电源和接地引脚的设备,有必要使每一对引脚都具有自己的去耦电容器。