【導(dǎo)讀】由于電子系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)中最主要的是微處理器的設(shè)計(jì)，本文從電子系統(tǒng)中的EMC問(wèn)題出發(fā)，分析和總結(jié)了噪聲的產(chǎn)生機(jī)理并提出消除噪聲的方法。對(duì)以MCU應(yīng)用設(shè)計(jì)發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義。
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(gè)部分。EME描述的是器件在測(cè)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(shè)計(jì)中，EMC變得越來(lái)越重要。如果設(shè)計(jì)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(huì)干擾系統(tǒng)自身，那么所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)就是電磁兼容的。
在電磁兼容設(shè)計(jì)中，“受害方”的概念通常指那些由于設(shè)計(jì)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(chē)免持鑰匙入車(chē)（Keyless-Entry）模組中的寬帶接收器或者是車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟裝置接收器，由于接收到MCU發(fā)出的足夠強(qiáng)的雜訊，這些模組中的接收器會(huì)誤認(rèn)為接收到了一個(gè)遙控信號(hào)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，電磁環(huán)境噪聲在一個(gè)給定的空間內(nèi)是增長(zhǎng)的，如圖1曲線所示，當(dāng)在電子設(shè)備的抗干擾性高于電磁環(huán)境噪聲任何點(diǎn)時(shí)，電子設(shè)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(kāi)關(guān)門(mén)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(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)
MCU中存在的EMC
MCU一般包括通用型和專(zhuān)用型兩類(lèi)，大部分都采用了各種不同形式的EMC技術(shù)，其中在用戶端無(wú)任何措施的情況下，有些技術(shù)是還是有效的，其它則需要適當(dāng)?shù)牧粜腜CB設(shè)計(jì)。因此可以說(shuō)，雜訊來(lái)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(diǎn)同步開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電源和地線上的電流；輸出管腳信號(hào)的變換；振蕩器工作產(chǎn)生的雜訊；開(kāi)關(guān)電容負(fù)載產(chǎn)生的片上信號(hào)假像。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際應(yīng)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。
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(méi)有關(guān)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(hù)電路。所以，大多數(shù)MCU的I/Oring電源和內(nèi)核電源是分開(kāi)的。
圖2：典型的MCU布局
（1）振蕩器
當(dāng)涉及到時(shí)鐘和窄帶雜訊，大家自然而然地就會(huì)想到振蕩器。圖3顯示了NEC公司典型MCU的石英振蕩器信號(hào)X1和X2的措施。雖然信號(hào)不是完全的正弦波形，但比較接近。事實(shí)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(dāng)較低的，因此MCU的石英振蕩器引起的噪音輻射相當(dāng)?shù)汀Ｈ欢盘?hào)形狀和其頻譜可能大大有別于其它類(lèi)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
（2）內(nèi)核、PLL和時(shí)鐘樹(shù)
正弦時(shí)鐘不能使用在如MCU等內(nèi)部是數(shù)位邏輯的器件上，因此，在CMOS型MCU上，振蕩器時(shí)鐘被整形為矩形，并且通過(guò)時(shí)鐘樹(shù)分布在內(nèi)部裝置中。由于時(shí)鐘具有多種用途，到時(shí)鐘樹(shù)的各分支具有傳播延遲，必須調(diào)整時(shí)鐘邊緣到各地裝置大約在同一時(shí)間。所有開(kāi)關(guān)型核心組件的電流幾乎是在同一時(shí)間內(nèi)，由此內(nèi)核的脈沖電流是一個(gè)主要的內(nèi)核噪聲源。
MCU通常使用兩種邊緣的時(shí)鐘，由此內(nèi)核電流的窄帶頻譜在內(nèi)核的運(yùn)行頻率及其諧波頻率上呈現(xiàn)電流峰值，呈現(xiàn)的最高頻率一般是內(nèi)核運(yùn)行頻率的兩倍。由于MCU通常包括一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘分頻器，因此低頻諧波也必須考慮。最后，內(nèi)部資料操作等在低電平時(shí)提供一些寬帶雜訊。一方面，振蕩器之前的外擴(kuò)也是一個(gè)小的噪聲源，另一方面，內(nèi)核電流是和內(nèi)核的運(yùn)作頻率相關(guān)的。
如果內(nèi)核頻率是一樣的，利用一個(gè)較慢的振蕩器和鎖相環(huán)（例如4MHz×4=16MHz）或使用較快振蕩器（例如16MHz），這樣應(yīng)當(dāng)引起相似級(jí)別的輻射。
（3）外部記憶體接口
外部記憶體接口包括地址匯流排，資料匯流排和一些控制信號(hào)。地址匯流排由MCU輸出，由于非線性存取順序提供的是非周期信號(hào)，因此，從EME角度講，地址匯流排相當(dāng)于寬帶雜訊，低地址位通常比較高的地址位具有更多的開(kāi)關(guān)頻率，所以這些都是較為重要的信號(hào)。
如果外部記憶體是唯讀或Flash記憶體，資料匯流排由記憶體驅(qū)動(dòng)，即便記憶體是RAM，讀取周期也通常占主導(dǎo)地位。因此，資料匯流排的電磁輻射主要是決定于記憶體。
對(duì)于控制信號(hào)的電磁輻射，是記憶體接口上最應(yīng)當(dāng)注意的部分。最關(guān)鍵的信號(hào)是系統(tǒng)和/或記憶體的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器（SDRAM），因?yàn)樗僧a(chǎn)生巨大的窄帶雜訊，在啟動(dòng)狀態(tài)下，即使引腳是開(kāi)路的，它的噪聲也是較大的（參見(jiàn)到 I/O埠串?dāng)_的說(shuō)明），因此無(wú)論任何地方，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器都應(yīng)該被關(guān)掉。最后，由于這些開(kāi)關(guān)信號(hào)（RAS、CAS、ASTB等）常常無(wú)規(guī)律的反復(fù)跳變，所以它們是潛在的噪聲源。
（4）I/O-ring上的通用埠
這些引腳的電磁輻射無(wú)法估計(jì)，由于這些引腳一般由用戶配置。靜電或偶爾開(kāi)關(guān)引腳應(yīng)不會(huì)造成重大的輻射，而頻繁開(kāi)關(guān)切換的引腳已被視為潛在噪音來(lái)源。重復(fù)的切換引腳由于其窄帶特性可能比非重復(fù)引腳包括較高的雜訊，例如系統(tǒng)時(shí)鐘或CSI時(shí)鐘，還有CSI資料輸出或CAN資料輸出。
