Comment améliorer la capacité anti-interférence des produits électroniques équipés de processeurs

1. Les systèmes suivants doivent accorder une attention particulière aux interférences électromagnétiques : 1. Le microcontrôleur a une fréquence d'horloge très élevée et un cycle de bus très rapide. 2. Le système contient des circuits de commande à haute puissance et à courant élevé, tels que des relais générateurs d'étincelles, des commutateurs à courant élevé, etc. 3. Le système comprend un circuit de signal analogique faible et un circuit de conversion A/D de haute précision. 2、 Les mesures suivantes doivent être prises pour augmenter la capacité anti-interférence électromagnétique du système : 1. Sélectionnez le microcontrôleur à basse fréquence Un microcontrôleur à faible fréquence d'horloge externe peut réduire efficacement le bruit et améliorer la capacité anti-interférence du système. Pour une onde carrée et une onde sinusoïdale de même fréquence, la composante haute fréquence de l'onde carrée est bien supérieure à celle de l'onde sinusoïdale. Bien que l’amplitude de la composante haute fréquence de l’onde carrée soit inférieure à celle de l’onde fondamentale, plus la fréquence est élevée, plus il est facile de l’émettre comme source de bruit. Le bruit haute fréquence le plus influent généré par le microcontrôleur est environ trois fois supérieur à la fréquence d'horloge. 2. Réduire la distorsion dans la transmission du signal Les microcontrôleurs sont principalement fabriqués avec la technologie CMOS haute vitesse. Le courant d'entrée statique de la borne d'entrée du signal est d'environ 1 mA, la capacité d'entrée est d'environ 10 PF et l'impédance d'entrée est assez élevée. La borne de sortie du circuit CMOS haute vitesse a une capacité de charge considérable, c'est-à-dire une valeur de sortie considérable. Si la borne de sortie d'une porte est reliée à la borne d'entrée avec une impédance d'entrée relativement élevée via une longue ligne, le problème de réflexion est très grave, ce qui provoquera une distorsion du signal et augmentera le bruit du système. Lorsque Tpd ＞ Tr, cela devient un problème de ligne de transmission, et la réflexion du signal, l'adaptation d'impédance et d'autres problèmes doivent être pris en compte. Le temps de retard du signal sur le PCB est lié à l'impédance caractéristique du fil, c'est-à-dire à la constante diélectrique du matériau du PCB. On peut grossièrement considérer que la vitesse de transmission du signal dans le câble PCB est d'environ 1/3 à 1/2 de la vitesse de la lumière. Tr (temps de retard standard) des éléments téléphoniques logiques communs dans le système composé de microcontrôleur est compris entre 3 et 18 ns. Sur la carte de circuit imprimé, le signal passe par une résistance de 7 W et un fil de 625 px de long, et le temps de retard de ligne est d'environ 4 à 20 ns. En d’autres termes, plus l’avance du signal sur le circuit imprimé est courte, mieux c’est, et la plus longue ne doit pas dépasser 625px. Et le nombre de vias doit être aussi petit que possible, de préférence pas supérieur à 2. Lorsque le temps de montée du signal est plus rapide que le temps de retard du signal, il doit être traité selon une électronique rapide. À ce stade, l'adaptation d'impédance de la ligne de transmission doit être prise en compte. Pour la transmission de signaux entre des blocs intégrés sur une carte de circuit imprimé, la situation Td ＞ Trd doit être évitée. Plus le circuit imprimé est grand, plus la vitesse du système ne peut pas être rapide. Résumez une règle de conception de PCB avec les conclusions suivantes : Lorsque le signal est transmis sur la carte imprimée, son temps de retard ne doit pas être supérieur au temps de retard nominal de l'appareil utilisé. 3. Réduisez les interférences croisées entre les lignes de signal Un signal de pas avec un temps de montée de Tr au point A est transmis à l'extrémité B via le fil AB. Le temps de retard du signal sur la ligne AB est Td. Au point D, en raison de la transmission directe du signal du point A, de la réflexion du signal après son arrivée au point B et du retard de la ligne AB, un signal d'impulsion de page d'une largeur de Tr sera induit après le temps Td. Au point C, en raison de la transmission et de la réflexion du signal sur AB, un signal d'impulsion positif d'une largeur deux fois supérieure au temps de retard du signal sur la ligne AB sera induit, c'est-à-dire 2Td. Il s'agit de l'interférence croisée entre les signaux. La force du signal d'interférence est liée au di/at du signal du point C et à la distance entre les lignes. Lorsque les deux lignes de signal ne sont pas très longues, ce que l’on voit sur AB est en réalité la superposition de deux impulsions. Le microcontrôle réalisé par le processus CMOS présente une impédance d'entrée élevée, un bruit élevé et une tolérance au bruit élevée. Le circuit numérique n'affecte pas son fonctionnement s'il est superposé à un bruit de 100 à 200 mV. Si la ligne AB sur la figure est un signal analogique, une telle interférence deviendra intolérable. Si la carte de circuit imprimé est une carte à quatre couches, dont l'une est une grande surface de terre, ou une carte double face, et que l'envers de la ligne de signal est une grande surface de terre, l'interférence croisée entre les signaux sera réduit. La raison en est que l'impédance caractéristique de la ligne de signal est réduite sur une grande surface et que la réflexion du signal à la borne D est considérablement réduite. L'impédance caractéristique est inversement proportionnelle au carré de la constante diélectrique du milieu entre la ligne de signal et la terre, et est proportionnelle au logarithme népérien de l'épaisseur du milieu. Si la ligne AB est un signal analogique, l'interférence de la ligne de signal du circuit numérique CD vers AB doit être évitée. Il doit y avoir une grande zone de sol sous la ligne AB, et la distance entre la ligne AB et la ligne CD doit être 2 à 3 fois supérieure à la distance entre la ligne AB et le sol. La terre de blindage locale peut être utilisée et le fil de terre peut être posé sur les côtés gauche et droit du fil conducteur avec la liaison. 4. Réduisez le bruit de l’alimentation électrique L'alimentation électrique fournit non seulement de l'énergie au système, mais ajoute également son bruit à l'alimentation électrique. La ligne de réinitialisation, la ligne d'interruption et les autres lignes de contrôle du microcontrôleur dans le circuit sont les plus vulnérables aux interférences du bruit externe. Les fortes interférences sur le réseau électrique pénètrent dans le circuit via l'alimentation électrique. Même dans le système alimenté par batterie, la batterie elle-même émet également du bruit à haute fréquence. Le signal analogique dans le circuit analogique ne peut pas résister aux interférences de l'alimentation. 5. Faites attention aux caractéristiques haute fréquence des cartes et composants de fils imprimés Dans le cas de haute fréquence, le fil, le via, la résistance, la capacité, l'inductance distribuée et la capacité des connecteurs sur la carte de circuit imprimé ne peuvent être ignorés. L'inductance distribuée de la capacité et la capacité distribuée de l'inductance ne peuvent être ignorées. La résistance reflétera le signal haute fréquence et la capacité distribuée du fil jouera un rôle. Lorsque la longueur est supérieure à 1/20 de la longueur d'onde correspondante de la fréquence du bruit, l'effet d'antenne sera généré et le bruit sera transmis vers l'extérieur à travers le fil. Le via du circuit imprimé provoque une capacité d'environ 0,6 pf. Un condensateur 2-6pf est introduit dans le matériau d'emballage d'un circuit intégré lui-même. Un connecteur sur un circuit imprimé a une inductance distribuée de 520 nH. Un bloc de circuit intégré à 24 broches avec coupe droite à double rangée est introduit avec un inducteur distribué de 4 à 18 nH. Ces petits paramètres distribués peuvent être ignorés dans ce système de microcontrôleur basse fréquence ; Une attention particulière doit être portée aux systèmes à grande vitesse. 6. La disposition des éléments doit être raisonnablement divisée Les interférences anti-électromagnétiques doivent être pleinement prises en compte pour la position des composants disposés sur la carte de circuit imprimé. L'un des principes est que les fils conducteurs entre les composants doivent être aussi courts que possible. En termes de disposition, la partie signal analogique, la partie circuit numérique à grande vitesse et la partie source de bruit (telle qu'un relais, un commutateur de courant important, etc.) doivent être raisonnablement séparées pour minimiser le couplage de signal entre elles. 7. Manipulez le fil de terre Sur le circuit imprimé, le cordon d'alimentation et le fil de terre sont les plus importants. Le moyen le plus important de surmonter les interférences électromagnétiques est la mise à la terre. Pour les cartes double face, la disposition des fils de terre est particulièrement particulière. En utilisant la méthode de mise à la terre en un seul point, l'alimentation et la terre sont connectées au circuit imprimé depuis les deux extrémités de l'alimentation, avec un contact pour l'alimentation et un contact pour la terre. Il doit y avoir plusieurs fils de terre de retour sur la carte de circuit imprimé, qui convergeront vers le contact de l'alimentation de retour, appelé mise à la terre à point unique. La soi-disant ouverture de la masse analogique, de la masse numérique et des appareils haute puissance signifie que le câblage est séparé et finalement rassemblé jusqu'à ce point de mise à la terre. Les câbles blindés sont généralement utilisés pour connecter des signaux à l'extérieur du circuit imprimé. Pour les signaux haute fréquence et numériques, les deux extrémités du câble blindé sont mises à la terre. Une extrémité du câble blindé utilisé pour le signal analogique basse fréquence doit être mise à la terre. Les circuits très sensibles au bruit et aux interférences ou les circuits présentant un bruit haute fréquence particulièrement important doivent être protégés par des capots métalliques. 8. Utilisez bien le condensateur de découplage. Un bon condensateur de découplage haute fréquence peut supprimer les composants haute fréquence jusqu'à 1 GHz. Les condensateurs à puce en céramique ou les condensateurs céramiques multicouches ont de meilleures caractéristiques haute fréquence. Lors de la conception d'un circuit imprimé, un condensateur de découplage doit être ajouté entre l'alimentation et la masse de chaque circuit intégré. Le condensateur de découplage a deux fonctions : d'une part, c'est le condensateur de stockage d'énergie du circuit intégré, fournissant et absorbant l'énergie de charge et de décharge du circuit intégré au moment de l'ouverture et de la fermeture de la porte ; En revanche, le bruit haute fréquence de l'appareil est contourné. Un condensateur de découplage typique avec une capacité de découplage de 0,1 uf dans un circuit numérique a une inductance distribuée de 5 nH et sa fréquence de résonance parallèle est d'environ 7 MHz, ce qui signifie qu'il a un bon effet de découplage sur le bruit inférieur à 10 MHz et a peu d'effet sur le bruit. au-dessus de 40 MHz. La fréquence de résonance parallèle des condensateurs 1uf et 10uf est supérieure à 20 MHz et l'effet de suppression du bruit haute fréquence est meilleur. Il est souvent avantageux d'avoir un condensateur haute fréquence de 1 uf ou 10 uf à l'endroit où l'alimentation entre dans la carte imprimée. Même les systèmes alimentés par batterie ont besoin de ce condensateur. Un condensateur de décharge de charge, ou un condensateur de décharge de stockage, doit être ajouté pour environ 10 circuits intégrés. La taille du condensateur peut être de 10 uf. Il vaut mieux ne pas utiliser de condensateurs électrolytiques. Les condensateurs électrolytiques sont enroulés par deux couches de films minces. Cette structure enroulée est une inductance aux hautes fréquences. Il est préférable d'utiliser un condensateur de la vésicule biliaire ou un condensateur de brassage en polycarbonate. La valeur de la capacité de découplage n'est pas strictement sélectionnée et peut être calculée comme C = 1/f ; Autrement dit, 0,1 uf est pris pour 10 MHz et 0,1 ~ 0,01 uf peut être pris pour le système composé d'un microcontrôleur. 3、 Une certaine expérience dans la réduction du bruit et des interférences électromagnétiques. Si vous pouvez utiliser des puces à basse vitesse, vous n’avez pas besoin de puces à haute vitesse. Des puces à grande vitesse sont utilisées à des endroits clés. Une série de résistances peut être utilisée pour réduire le taux de saut des bords supérieur et inférieur du circuit de commande. Essayez de fournir une certaine forme d'amortissement pour les relais, etc. Utilisez l'horloge avec la fréquence la plus basse répondant aux exigences du système. Le générateur d'horloge doit être le plus proche possible de l'appareil utilisant l'horloge. La coque de l'oscillateur à cristal de quartz doit être mise à la terre. Entourez la zone de l'horloge avec un fil de terre et gardez le fil de l'horloge aussi court que possible. Le circuit de commande d'E/S doit être aussi proche que possible du bord de la carte imprimée, afin qu'il puisse quitter la carte imprimée le plus rapidement possible. Le signal entrant dans le PCB doit être filtré, et le signal provenant de la zone à bruit élevé doit également être filtré. Dans le même temps, la résistance du terminal série doit être utilisée pour réduire la réflexion du signal. L'extrémité inutile du MCD doit être connectée en haut, ou mise à la terre, ou définie comme extrémité de sortie. L'alimentation électrique et les bornes de terre du circuit intégré doivent être connectées et ne doivent pas être suspendues. La borne d'entrée du circuit de porte inutilisée ne doit pas être suspendue, la borne d'entrée positive de l'ampli opérationnel inutilisé doit être mise à la terre et la borne d'entrée négative doit être connectée à la borne de sortie. Le circuit imprimé doit utiliser autant que possible 45 lignes de pliage au lieu de 90 lignes de pliage pour réduire la transmission externe et le couplage des signaux haute fréquence. La carte de circuit imprimé doit être divisée en fonction des caractéristiques de commutation de fréquence et de courant, et les composants de bruit doivent être plus éloignés des composants sans bruit. L'alimentation électrique à point unique et la mise à la terre à point unique, la ligne électrique et le fil de terre doivent être aussi épais que possible pour les panneaux simples et doubles. Si l'économie est abordable, des cartes multicouches doivent être utilisées pour réduire l'inductance de l'alimentation électrique et de la terre. Les signaux de sélection d'horloge, de bus et de puce doivent être éloignés des lignes et connecteurs d'E/S. La ligne d'entrée de tension analogique et la borne de tension de référence doivent être éloignées de la ligne de signal du circuit numérique, en particulier de l'horloge. Pour les appareils A/D, la partie numérique et la partie analogique doivent être unifiées plutôt que croisées. La ligne d'horloge perpendiculaire à la ligne d'E/S a moins d'interférences que la ligne d'E/S parallèle, et la broche de l'élément d'horloge est loin du câble d'E/S. La broche de l'élément doit être aussi courte que possible et la broche du condensateur de découplage doit être aussi courte que possible. Les lignes clés doivent être aussi épaisses que possible et des zones de protection doivent être ajoutées des deux côtés. Les lignes à grande vitesse doivent être courtes et droites. Les lignes sensibles au bruit ne doivent pas être parallèles aux lignes de commutation à fort courant et à grande vitesse. Ne faites pas passer les fils sous du cristal de quartz ou des appareils sensibles au bruit. Ne formez pas de boucle de courant autour du circuit de signal faible et du circuit basse fréquence. Aucun signal ne doit former une boucle. Si cela est inévitable, réduisez au maximum la zone de la boucle. Un condensateur de découplage par IC. Un petit condensateur de dérivation haute fréquence doit être ajouté à côté de chaque condensateur électrolytique. Utilisez des condensateurs au tantale de grande capacité ou des condensateurs Juku au lieu de condensateurs électrolytiques pour charger et décharger les condensateurs de stockage d'énergie. Lors de l'utilisation de condensateurs tubulaires, le boîtier doit être mis à la terre.