Jak poprawić zdolność przeciwzakłóceniową produktów elektronicznych z procesorami

1. Następujące systemy zwracają szczególną uwagę na zakłócenia elektromagnetyczne: 1. Mikrokontroler ma bardzo wysoką częstotliwość taktowania i bardzo szybki cykl magistrali. 2. System zawiera obwody napędowe o dużej mocy i wysokim prądzie, takie jak przekaźniki wytwarzające iskry, przełączniki wysokoprądowe itp. 3. System zawiera słaby obwód sygnału analogowego i obwód konwersji A/D o wysokiej precyzji. 2. Należy podjąć następujące środki w celu zwiększenia odporności systemu na zakłócenia elektromagnetyczne: 1. Wybierz mikrokontroler o niskiej częstotliwości Mikrokontroler o niskiej częstotliwości zegara zewnętrznego może skutecznie redukować szumy i poprawiać zdolność systemu do zwalczania zakłóceń. W przypadku fali prostokątnej i fali sinusoidalnej o tej samej częstotliwości składowa wysokiej częstotliwości w fali prostokątnej jest znacznie większa niż w fali sinusoidalnej. Chociaż amplituda składowej wysokiej częstotliwości fali prostokątnej jest mniejsza niż amplituda fali podstawowej, im wyższa częstotliwość, tym łatwiej jest ją emitować jako źródło hałasu. Najbardziej wpływowy szum o wysokiej częstotliwości generowany przez mikrokontroler jest około trzykrotnie większy od częstotliwości zegara. 2. Zmniejsz zniekształcenia w transmisji sygnału Mikrokontrolery są produkowane głównie w technologii high-speed CMOS. Statyczny prąd wejściowy zacisku wejściowego sygnału wynosi około 1 mA, pojemność wejściowa wynosi około 10PF, a impedancja wejściowa jest dość wysoka. Zacisk wyjściowy szybkiego obwodu CMOS ma znaczną nośność, to znaczy znaczną wartość wyjściową. Jeśli końcówka wyjściowa bramki zostanie poprowadzona długą linią do końcówki wejściowej o stosunkowo dużej impedancji wejściowej, problem odbicia jest bardzo poważny, co spowoduje zniekształcenie sygnału i zwiększenie szumu systemu. Gdy Tpd ＞ Tr, staje się to problemem linii przesyłowej i należy wziąć pod uwagę odbicie sygnału, dopasowanie impedancji i inne problemy. Czas opóźnienia sygnału na płytce drukowanej jest powiązany z impedancją charakterystyczną przewodu, czyli stałą dielektryczną materiału płytki drukowanej. Można z grubsza przyjąć, że prędkość transmisji sygnału w przewodzie PCB wynosi około 1/3 do 1/2 prędkości światła. Tr (standardowy czas opóźnienia) wspólnych logicznych elementów telefonicznych w systemie złożonym z mikrokontrolera wynosi od 3 do 18 ns. Na płytce drukowanej sygnał przechodzi przez rezystor o mocy 7 W i przewód o długości 625 pikseli, a czas opóźnienia linii wynosi około 4 ~ 20 ns. Inaczej mówiąc, im krótszy przewód sygnału na obwodzie drukowanym, tym lepszy, a najdłuższy nie powinien przekraczać 625px. A liczba przelotek powinna być jak najmniejsza, najlepiej nie większa niż 2. Gdy czas narastania sygnału jest szybszy niż czas opóźnienia sygnału, należy go przetworzyć zgodnie z szybką elektroniką. W tym momencie należy rozważyć dopasowanie impedancji linii przesyłowej. W przypadku transmisji sygnału pomiędzy blokami scalonymi na płytce drukowanej należy unikać sytuacji Td ＞ Trd. Im większa płytka drukowana, tym większa prędkość systemu nie może być. Podsumuj zasadę projektowania PCB, wyciągając następujące wnioski: Gdy sygnał przesyłany jest na płytkę drukowaną, jego czas opóźnienia nie powinien być większy od nominalnego czasu opóźnienia zastosowanego urządzenia. 3. Zmniejsz zakłócenia krzyżowe pomiędzy liniami sygnałowymi Sygnał krokowy z czasem narastania Tr w punkcie A jest przesyłany do końca B poprzez przewód AB. Czas opóźnienia sygnału na linii AB wynosi Td. W punkcie D, w wyniku przesłania sygnału punktu A w przód, odbicia sygnału po dotarciu do punktu B i opóźnienia linii AB, po czasie Td zostanie zaindukowany sygnał impulsu strony o szerokości Tr. W punkcie C, w wyniku transmisji i odbicia sygnału na linii AB, zostanie zaindukowany dodatni sygnał impulsowy o szerokości dwukrotnie większej niż czas opóźnienia sygnału na linii AB, czyli 2Td. Jest to interferencja krzyżowa pomiędzy sygnałami. Siła sygnału zakłócającego jest powiązana z wartością di/at sygnału punktu C i odległością między liniami. Kiedy dwie linie sygnałowe nie są zbyt długie, to, co widzisz na AB, jest w rzeczywistości superpozycją dwóch impulsów. Mikrokontrola wykonana w procesie CMOS ma wysoką impedancję wejściową, wysoki poziom szumów i wysoką tolerancję na zakłócenia. Obwód cyfrowy nie wpływa na jego działanie, jeśli zostanie nałożony na szum 100-200 mv. Jeśli linia AB na rysunku jest sygnałem analogowym, takie zakłócenia staną się nie do zniesienia. Jeśli płytka drukowana jest płytką czterowarstwową, z której jedna stanowi duży obszar uziemienia, lub płytką dwustronną, a odwrotna strona linii sygnałowej stanowi duży obszar uziemienia, zakłócenia krzyżowe pomiędzy sygnałami będą zredukowany. Powodem jest to, że impedancja charakterystyczna linii sygnałowej jest zmniejszona na dużym obszarze, a odbicie sygnału na zacisku D jest znacznie zmniejszone. Impedancja charakterystyczna jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu stałej dielektrycznej ośrodka pomiędzy linią sygnałową a masą i jest proporcjonalna do logarytmu naturalnego grubości ośrodka. Jeżeli linia AB jest sygnałem analogowym, należy unikać zakłóceń linii sygnału obwodu cyfrowego CD do AB. Poniżej linii AB powinien znajdować się duży obszar gruntu, a odległość pomiędzy linią AB a linią CD powinna być 2-3 razy większa niż odległość pomiędzy linią AB a ziemią. Można zastosować lokalną masę ekranującą, a przewód uziemiający można ułożyć po lewej i prawej stronie przewodu prowadzącego wraz z połączeniem. 4. Zmniejsz hałas z zasilacza Zasilacz nie tylko dostarcza energię do systemu, ale także dodaje szum do zasilacza. Linia resetowania, linia przerwań i inne linie sterujące mikrokontrolera w obwodzie są najbardziej podatne na zakłócenia szumu zewnętrznego. Silne zakłócenia w sieci energetycznej przedostają się do obwodu poprzez zasilacz. Nawet w systemie zasilanym bateryjnie, sama bateria również generuje szumy o wysokiej częstotliwości. Sygnał analogowy w obwodzie analogowym nie jest w stanie wytrzymać zakłóceń pochodzących z zasilacza. 5. Zwróć uwagę na charakterystykę wysokiej częstotliwości drukowanych płytek drukowanych i komponentów W przypadku wysokiej częstotliwości nie można pominąć rezystancji przewodu, przelotki, pojemności, indukcyjności rozproszonej i pojemności złączy na płytce drukowanej. Nie można zignorować rozproszonej indukcyjności pojemności i rozproszonej pojemności indukcyjności. Opór będzie odzwierciedlał sygnał o wysokiej częstotliwości, a rozproszona pojemność przewodu będzie odgrywać rolę. Gdy długość jest większa niż 1/20 odpowiedniej długości fali częstotliwości szumu, zostanie wygenerowany efekt antenowy, a szum będzie transmitowany na zewnątrz przez przewód. Przelotka płytki drukowanej powoduje pojemność około 0,6 pf. Kondensator 2-6 pf jest wprowadzany do materiału opakowaniowego samego układu scalonego. Złącze na płytce drukowanej ma indukcyjność rozproszoną 520 nH. Wprowadzono 24-pinowy blok układu scalonego z dwurzędowym prostym wycięciem z rozproszoną cewką indukcyjną 4~18nH. Te małe rozproszone parametry można zignorować w tym systemie mikrokontrolera o niskiej częstotliwości; Szczególną uwagę należy zwrócić na systemy o dużej prędkości. 6. Układ elementów należy rozsądnie podzielić Należy w pełni uwzględnić zakłócenia elektromagnetyczne przy rozmieszczeniu elementów na płytce drukowanej. Jedną z zasad jest to, że przewody łączące elementy powinny być możliwie najkrótsze. Jeśli chodzi o układ, część sygnału analogowego, część szybkiego obwodu cyfrowego i część źródła szumu (taka jak przekaźnik, duży przełącznik prądowy itp.) powinny być w rozsądny sposób oddzielone, aby zminimalizować sprzężenie sygnału między nimi. 7. Zajmij się przewodem uziemiającym Na płytce drukowanej najważniejsze są przewód zasilający i przewód uziemiający. Najważniejszym sposobem przezwyciężenia zakłóceń elektromagnetycznych jest uziemienie. W przypadku płyt dwustronnych układ przewodów uziemiających jest szczególnie szczególny. Dzięki zastosowaniu metody uziemienia jednopunktowego zasilanie i masa są podłączone do płytki drukowanej z obu końców zasilacza, przy czym jeden styk jest dla zasilacza, a drugi dla uziemienia. Na płytce drukowanej powinno znajdować się wiele przewodów uziemiających powrotnych, które zbiegają się do styku zasilania powrotnego, co nazywa się uziemieniem jednopunktowym. Tak zwane otwarcie uziemienia analogowego, uziemienia cyfrowego i urządzeń dużej mocy oznacza, że ​​okablowanie jest oddzielone i ostatecznie zebrane do tego punktu uziemienia. Kable ekranowane są zwykle używane do łączenia sygnałów poza płytką drukowaną. W przypadku sygnałów wysokiej częstotliwości i sygnałów cyfrowych oba końce ekranowanego kabla są uziemione. Jeden koniec ekranowanego kabla używanego do sygnału analogowego o niskiej częstotliwości powinien być uziemiony. Obwody bardzo wrażliwe na szumy i zakłócenia lub obwody o szczególnie poważnych zakłóceniach o wysokiej częstotliwości powinny być ekranowane metalowymi osłonami. 8. Dobrze wykorzystaj kondensator odsprzęgający. Dobry kondensator odsprzęgający wysokiej częstotliwości może usunąć komponenty o wysokiej częstotliwości aż do 1 GHz. Ceramiczne kondensatory chipowe lub wielowarstwowe kondensatory ceramiczne mają lepszą charakterystykę wysokich częstotliwości. Projektując płytkę drukowaną, należy dodać kondensator odsprzęgający pomiędzy zasilaczem a masą każdego układu scalonego. Kondensator odsprzęgający spełnia dwie funkcje: z jednej strony jest kondensatorem magazynującym energię układu scalonego, dostarczającym i pochłaniającym energię ładowania i rozładowywania układu scalonego w momencie otwierania i zamykania drzwi; Z drugiej strony pomijany jest hałas urządzenia o wysokiej częstotliwości. Typowy kondensator odsprzęgający o pojemności odsprzęgającej 0,1 uf w obwodzie cyfrowym ma indukcyjność rozproszoną 5 nH, a jego równoległa częstotliwość rezonansowa wynosi około 7 MHz, co oznacza, że ​​ma dobry efekt odsprzęgający w przypadku szumów poniżej 10 MHz i ma niewielki wpływ na szum powyżej 40 MHz. Równoległa częstotliwość rezonansowa kondensatorów 1 uf i 10 uf jest większa niż 20 MHz, a efekt usuwania szumów o wysokiej częstotliwości jest lepszy. Często korzystne jest posiadanie kondensatora wysokiej częstotliwości 1 uf lub 10 uf w miejscu, w którym zasilacz wchodzi na płytkę drukowaną. Nawet systemy zasilane bateryjnie potrzebują tego kondensatora. Należy dodać jeden kondensator rozładowujący lub kondensator rozładowujący magazynowanie na każde około 10 układów scalonych. Rozmiar kondensatora może wynosić 10 uf. Lepiej nie używać kondensatorów elektrolitycznych. Kondensatory elektrolityczne są zwinięte w dwie warstwy cienkich folii. Ta zwinięta struktura jest indukcyjnością przy wysokich częstotliwościach. Lepiej jest zastosować kondensator pęcherzyka żółciowego lub poliwęglanowy kondensator do zaparzania. Wartość pojemności odsprzęgającej nie jest ściśle wybrana i można ją obliczyć jako C=1/f; Oznacza to, że 0,1 uf przyjmuje się dla 10 MHz, a 0,1 ~ 0,01 uf można przyjąć dla systemu składającego się z mikrokontrolera. 3. Pewne doświadczenie w ograniczaniu hałasu i zakłóceń elektromagnetycznych. Jeśli możesz używać chipów o niskiej prędkości, nie potrzebujesz chipów o dużej szybkości. W kluczowych miejscach zastosowano chipy o dużej prędkości. Aby zmniejszyć częstotliwość skoków górnej i dolnej krawędzi obwodu sterującego, można zastosować szereg rezystorów. Spróbuj zapewnić jakąś formę tłumienia dla przekaźników itp. Użyj zegara o najniższej częstotliwości spełniającej wymagania systemowe. Generator zegara powinien znajdować się jak najbliżej urządzenia wykorzystującego zegar. Powłoka oscylatora kwarcowego powinna być uziemiona. Okrąż obszar zegara przewodem uziemiającym i staraj się, aby przewód zegara był jak najkrótszy. Obwód sterujący we/wy powinien znajdować się jak najbliżej krawędzi płytki drukowanej, tak aby mógł jak najszybciej opuścić płytkę drukowaną. Sygnał wchodzący do płytki drukowanej powinien być filtrowany, podobnie jak sygnał pochodzący z obszaru o wysokim poziomie szumów. Jednocześnie należy zastosować rezystancję zacisku szeregowego w celu zmniejszenia odbicia sygnału. Bezużyteczny koniec MCD powinien być podłączony wysoko, uziemiony lub zdefiniowany jako koniec wyjściowy. Zaciski zasilania i uziemienia układu scalonego muszą być podłączone i nie mogą być podwieszane. Nieużywany zacisk wejściowy obwodu bramki nie może być zawieszony, nieużywany dodatni zacisk wejściowy wzmacniacza operacyjnego powinien być uziemiony, a ujemny zacisk wejściowy powinien być podłączony do zacisku wyjściowego. Na płytce drukowanej należy w miarę możliwości zastosować 45 linii zagięcia zamiast 90 linii zagięcia, aby ograniczyć transmisję zewnętrzną i sprzężenie sygnałów o wysokiej częstotliwości. Płytkę drukowaną należy podzielić zgodnie z charakterystyką przełączania częstotliwości i prądu, a elementy zakłócające powinny znajdować się dalej od elementów innych niż szum. Jednopunktowe zasilanie i jednopunktowe uziemienie, linia zasilająca i przewód uziemiający powinny być możliwie najgrubsze dla pojedynczego i podwójnego panelu. Jeśli pozwala na to oszczędność, należy zastosować płytki wielowarstwowe w celu zmniejszenia indukcyjności zasilania i masy. Sygnały wyboru zegara, magistrali i chipa powinny znajdować się daleko od linii I/O i złączy. Linia wejścia napięcia analogowego i zacisk napięcia odniesienia powinny znajdować się daleko od linii sygnału obwodu cyfrowego, zwłaszcza zegara. W przypadku urządzeń A/D część cyfrowa i część analogowa powinny być ujednolicone, a nie skrzyżowane. Linia zegara prostopadła do linii we/wy charakteryzuje się mniejszymi zakłóceniami niż równoległa linia we/wy, a pin elementu zegara znajduje się daleko od kabla we/wy. Styk elementu powinien być możliwie krótki, a pin kondensatora odsprzęgającego możliwie najkrótszy. Linie kluczowe powinny być jak najgrubsze, a po obu stronach należy dodać obszary ochronne. Linie dużych prędkości powinny być krótkie i proste. Linie wrażliwe na zakłócenia nie powinny być równoległe do linii wysokoprądowych i szybkich linii przełączających. Nie prowadź przewodów pod kryształami kwarcu lub urządzeniami wrażliwymi na hałas. Nie twórz pętli prądowej wokół obwodu słabego sygnału i obwodu niskiej częstotliwości. Żaden sygnał nie powinien tworzyć pętli. Jeśli jest to nieuniknione, obszar pętli powinien być możliwie najmniejszy. Jeden kondensator odsprzęgający na układ scalony. Obok każdego kondensatora elektrolitycznego należy dodać mały kondensator obejściowy wysokiej częstotliwości. Zamiast kondensatorów elektrolitycznych należy używać kondensatorów tantalowych o dużej pojemności lub kondensatorów Juku jako kondensatorów magazynujących energię w obwodzie ładującym i rozładowującym. W przypadku stosowania kondensatorów rurkowych obudowa powinna być uziemiona.