从EMC问题出发设计MCU（一）

【导读】由于电子系统的EMC设计中最主要的是微处理器的设计，本文从电子系统中的EMC问题出发，分析和总结了噪声的产生机理并提出消除噪声的方法。对以MCU应用设计发展具有重要的实践意义。

在概念上，电磁兼容性（EMC）包含系统本身的电磁敏感性（EMS）以及电磁杂音发射（EME）两个部分。EME描述的是器件在测试（DUT）的情况下是噪声源，而EMS描述的是器件在 DUT的情况下是噪声受害者。在大多数系统设计中，EMC变得越来越重要。如果设计的系统不干扰其它系统，也不受其它系统发射影响，并且不会干扰系统自身，那么所设计的系统就是电磁兼容的。
　　
在电磁兼容设计中，“受害方”的概念通常指那些由于设计缺乏EMC考虑而受到影响的部件受害部件可能在基于MCU的PCB或者模组的内部，也可能是外部系统通常的受害部件是汽车免持钥匙入车（Keyless-Entry）模组中的宽带接收器或者是车库门开启装置接收器，由于接收到MCU发出的足够强的杂讯，这些模组中的接收器会误认为接收到了一个遥控信号。
　　
从长远角度来看，电磁环境噪声在一个给定的空间内是增长的，如图1曲线所示，当在电子设备的抗干扰性高于电磁环境噪声任何点时，电子设备的功能都不将受影响，遗憾的是，现在电子系统大部分具有较高的工作频率和较低的电平开关门限（由于较低工作电源），防噪声能力逐渐下降，如图1中的曲线2。

图1：环境噪声长远发展趋势

MCU中存在的EMC
　　
MCU一般包括通用型和专用型两类，大部分都采用了各种不同形式的EMC技术，其中在用户端无任何措施的情况下，有些技术是还是有效的，其它则需要适当的留心PCB设计。因此可以说，杂讯来源主要有两部分∶MCU的内部噪声，MCU传播到外面的噪声。
　　
MCU内部存在四种主要的噪声源∶内部汇流排和节点同步开关产生的电源和地线上的电流；输出管脚信号的变换；振荡器工作产生的杂讯；开关电容负载产生的片上信号假像。根据经验，实际应用中高频率的窄带杂讯比宽带杂音能耗高，所以以下主要介绍窄带杂讯。

主要噪声源
　
除AD转换器、振荡器和I/Oring之外，所有内部逻辑被列为内核。典型的内核和外部引脚是没有关联的，但电源引脚除外。例如，在图2中内核包含CPU、锁相环、程序记忆体、RAM及周边器件包括CAN记忆体。I/Oring包括带有埠缓冲的电源和地面通道系统以及保护电路。所以，大多数MCU的I/Oring电源和内核电源是分开的。

图2：典型的MCU布局

（1）振荡器
　　
当涉及到时钟和窄带杂讯，大家自然而然地就会想到振荡器。图3显示了NEC公司典型MCU的石英振荡器信号X1和X2的措施。虽然信号不是完全的正弦波形，但比较接近。事实上，根据频谱分析仅能表示少数一些谐波。此外，和MCU的总功耗相比，振荡器的功耗是相当较低的，因此MCU的石英振荡器引起的噪音辐射相当低。然而，信号形状和其频谱可能大大有别于其它类型的振荡器，例如RC振荡器。

图3：MCU的石英振荡器引起的噪音

（2）内核、PLL和时钟树
　　
正弦时钟不能使用在如MCU等内部是数位逻辑的器件上，因此，在CMOS型MCU上，振荡器时钟被整形为矩形，并且通过时钟树分布在内部装置中。由于时钟具有多种用途，到时钟树的各分支具有传播延迟，必须调整时钟边缘到各地装置大约在同一时间。所有开关型核心组件的电流几乎是在同一时间内，由此内核的脉冲电流是一个主要的内核噪声源。

MCU通常使用两种边缘的时钟，由此内核电流的窄带频谱在内核的运行频率及其谐波频率上呈现电流峰值，呈现的最高频率一般是内核运行频率的两倍。由于MCU通常包括一个或多个时钟分频器，因此低频谐波也必须考虑。最后，内部资料操作等在低电平时提供一些宽带杂讯。一方面，振荡器之前的外扩也是一个小的噪声源，另一方面，内核电流是和内核的运作频率相关的。
　
如果内核频率是一样的，利用一个较慢的振荡器和锁相环（例如4MHz×4=16MHz）或使用较快振荡器（例如16MHz），这样应当引起相似级别的辐射。

（3）外部记忆体接口
　　
外部记忆体接口包括地址汇流排，资料汇流排和一些控制信号。地址汇流排由MCU输出，由于非线性存取顺序提供的是非周期信号，因此，从EME角度讲，地址汇流排相当于宽带杂讯，低地址位通常比较高的地址位具有更多的开关频率，所以这些都是较为重要的信号。
　　
如果外部记忆体是唯读或Flash记忆体，资料汇流排由记忆体驱动，即便记忆体是RAM，读取周期也通常占主导地位。因此，资料汇流排的电磁辐射主要是决定于记忆体。
　　
对于控制信号的电磁辐射，是记忆体接口上最应当注意的部分。最关键的信号是系统和/或记忆体的时钟驱动器（SDRAM），因为它可产生巨大的窄带杂讯，在启动状态下，即使引脚是开路的，它的噪声也是较大的（参见到 I/O埠串扰的说明），因此无论任何地方，时钟驱动器都应该被关掉。最后，由于这些开关信号（RAS、CAS、ASTB等）常常无规律的反复跳变，所以它们是潜在的噪声源。

（4）I/O-ring上的通用埠
　　
这些引脚的电磁辐射无法估计，由于这些引脚一般由用户配置。静电或偶尔开关引脚应不会造成重大的辐射，而频繁开关切换的引脚已被视为潜在噪音来源。重复的切换引脚由于其窄带特性可能比非重复引脚包括较高的杂讯，例如系统时钟或CSI时钟，还有CSI资料输出或CAN资料输出。