Đang tải... (xem toàn văn)
THIẾT KẾ MẠCH IN ĐỂ CẢI THIỆN EMC TRONG VI ĐIỀU KHIỂN Tất cả các mạch logic bên trong ngoại trừ bộ chuyển đổi AD, bộ dao động và IOring được xem là mạch lõi. Thông thường mạch lõi không có kết nối đến các chân ngoại trừ chân nguồn của nó. Ví dụ trong hình trên, mạch lõi chứa CPU, PLL, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ RAM và thiết bị ngoại vi bao gồm bộ nhớ CAN. IOring bao gồm hệ thống đường nối đất và nguồn với bộ đệm cổng và mạch bảo vệ của nó. Bộ cấp nguồn IOring của hầu hết các vi điều khiển được tách rời khỏi nguồn cung cấp điện lõi.
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo TIỂU LUẬN MÔN HỌC TÊN TIỂU LUẬN: THIẾT KẾ MẠCH IN ĐỂ CẢI THIỆN EMC TRONG VI ĐIỀU KHIỂN Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Học viên thực hiện : Phạm Minh Hải Khóa : K25 KTĐT 2012-2014 Đà Nẵng, tháng 11 / 2013 Tiểu luận Tương thích Điện Từ MỤC LỤC 2 Tiểu luận Tương thích Điện Từ CHƯƠNG 1. NGUỒN NHIỄU TRONG VI ĐIỀU KHIỂN 1 1.1. Thiết kế của vi điều khiển thông dụng Hình dưới mô tả mạch in của vi điều khiển thông dụng: Hình 1.1: Layout của vi điều khiển Tất cả các mạch logic bên trong ngoại trừ bộ chuyển đổi AD, bộ dao động và I/O-ring được xem là mạch lõi. Thông thường mạch lõi không có kết nối đến các chân ngoại trừ chân nguồn của nó. Ví dụ trong hình trên, mạch lõi chứa CPU, PLL, bộ nhớ chương trình, bộ nhớ RAM và thiết bị ngoại vi bao gồm bộ nhớ CAN. I/O-ring bao gồm hệ thống đường nối đất và nguồn với bộ đệm cổng và mạch bảo vệ của nó. Bộ cấp nguồn I/O-ring của hầu hết các vi điều khiển được tách rời khỏi nguồn cung cấp điện lõi. 1.2. Các nguồn nhiễu chính 1.2.1. Bộ dao động Hình 1.2 cho thấy biểu đồ đo lường điển hình của các tín hiệu dao động thạch anh X1 và X2 của vi điều khiển. Mặc dù hình dạng tín hiệu là không phải hình sin chính xác mà chỉ gần tương đối. Thực tế, theo các phép đo quang phổ chỉ cho thấy 3 Tiểu luận Tương thích Điện Từ một vài sóng hài. Hơn nữa, so với tổng tiêu thụ điện năng của một vi điều khiển, tiêu thụ điện năng của bộ dao động là khá thấp. Do đó, sự tác động của bộ dao động thạch anh của vi điều khiển đến bức xạ nhiễu phát ra là khá thấp. Tuy nhiên, hình dạng tín hiệu và quang phổ có thể có nhiều khác biệt đối với các bộ dao động khác nhau, ví dụ như bộ dao động RC. Hình 1.2: Tín hiệu bộ dao động thạch anh X1 và X2 1.2.2. Lõi, PLL và xung nhịp cây Đối với thiết bị kỹ thuật số như vi điều khiển, xung nhịp hình sin không thể sử dụng được. Vì vậy, trong vi điều khiển CMOS xung nhịp dao động được định dạng lại hình chữ nhật và phân phối trong các thiết bị thông qua xung nhịp cây. Vì lý do vận hành, trễ lan truyền vào các nhánh khác nhau của xung nhịp cây phải được điều chỉnh để cung cấp các xung nhịp biên trên tất cả các thiết bị gần như cùng lúc. Do đó tất cả các phần tử lõi chuyển mạch truyền dòng điện gần như cùng một lúc. Kết quả dòng cấp cho xung lõi là lõi chính liên quan đến nguồn nhiễu. Vi điều khiển thường sử dụng cả hai cạnh của xung nhịp. Kết quả phổ biên độ hẹp của dòng điện lõi cho thấy đỉnh tại tần số hoạt động của lõi và sóng hài của nó, cho thấy thường tối đa tại hai lần tần số hoạt động lõi. Vì vi điều khiển thường bao gồm một hoặc nhiều bộ chia xung nhịp, các sóng hài tần số thấp hơn cũng phải được kỳ vọng. Cuối cùng, hoạt động dữ 4 Tiểu luận Tương thích Điện Từ liệu nội bộ phân bố với một số nhiễu băng rộng ở mức thấp, ở mức độ thường thấp. Như đã trình bày ở trên bộ dao động trên một mặt là nguồn phụ của nhiễu. Mặt khác dòng lõi có liên quan đến tần số hoạt động của lõi. Cung cấp tần số lõi là như nhau trong cả hai trường hợp, việc tạo ra nó với bộ dao động chậm và một PLL (ví dụ 4 MHz x 4 = 16 MHz) hoặc sử dụng một bộ dao động nhanh hơn (ví dụ 16 MHz) gây ra mức bức xạ tương đương. 1.2.3. Giao tiếp bộ nhớ ngoài Giao tiếp bộ nhớ ngoài bao gồm bus địa chỉ, bus dữ liệu và một số tín hiệu điều khiển. Bus địa chỉ được xuất ra bởi vi điều khiển và thường cung cấp tín hiệu không có chu kỳ, do đầu vào không tuyến tính. Do vậy, phân bố EME trên bus địa chỉ khá nhiễu ở dải băng rộng. Vì các bit có địa chỉ thấp hơn thường chuyển đổi liên tục hơn so với các bit địa chỉ cao có nhiều tín hiệu tới hạn. Trong trường hợp bộ nhớ ngoài là bộ nhớ chỉ đọc hoặc bộ nhớ flash, bus dữ liệu được truyền bởi bộ nhớ, nhưng ngay cả khi bộ nhớ là một bộ nhớ RAM thì chu kỳ đọc thường chiếm ưu thế. Do đó phân bố EME của bus dữ liệu chủ yếu được xác định bởi các thiết bị nhớ. Đối với EME, tín hiệu điều khiển là một phần đáng quan tâm nhất của giao diện bộ nhớ. Tín hiệu quan trọng nhất là trình điều khiển xung nhịp hệ thống và/hoặc bộ nhớ (SDRAM) vì nó tạo ra nhiễu biên độ hẹp đáng kể. Ngay cả khi chân là open nhưng được kích hoạt thì phân bố nhiễu của nó có thể là đáng kể. Vì vậy, bất cứ khi nào có thể, bộ kích thích xung nhịp này nên được tắt. Cuối cùng, các tín hiệu nhấp nháy (RAS, CAS, ASTB, vv) là nguồn nhiễu tiềm tàng khi nó thường xuyên và bằng cách nào đó chuyển đổi lặp đi lặp lại (biên độ hẹp). 1.2.4. Các cổng cho các mục đích chung trong I/O-ring Sự phân bố EME của các chân nói chung không thể được ước lượng như việc cấu hình các chân này. Các chân tĩnh hoặc ít chuyển mạch không gây ra bức xạ đáng kể trong khi các chân chuyển mạch thường xuyên phải được xem như nguồn nhiễu tiềm tàng. Các chân chuyển mạch lặp đi lặp lại có nhiễu tiềm tàng cao hơn so với chân không lặp đi lặp lại do đặc tính biên độ hẹp của nó. Ví dụ trình điều khiển xung nhịp hệ thống hoặc xung CSI, hoặc đầu ra dữ liệu CSI hay CAN. 1.3. Lan truyền nhiễu đến các chân không có chuyển mạch Các chân chuyển mạch rõ ràng là các nguồn nhiễu. Thật không may cũng có những tác động khác dẫn đến sự bức xạ của các chân có vẻ không liên quan. Một số đó được mô tả như dưới đây: 5 Tiểu luận Tương thích Điện Từ 1.3.1. Hệ thống nguồn vi điều khiển Hệ thống nguồn bao gồm một hoặc nhiều chân nguồn và các chân nối đất liên quan của nó. Thông thường, vi điều khiển cung cấp nhiều hệ thống cấp điện độc lập, được tách ra khỏi nhau ở mặt nguồn và tiếp đất. Ít nhất một tụ tách riêng cho mỗi hệ thống cấp điện là bắt buộc để cung cấp nguồn yêu cầu tại trở kháng thấp trên một dải tần số rộng . Bất kỳ phần tử hoạt động bên trong vi điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp kết nối với ít nhất một hệ thống cung cấp điện. Vì vậy, bất kỳ chuyển mạch bên trong vi điều khiển cũng gây ra một dòng điện tới tiến trình. Sự phát xạ của dòng điện này tỷ lệ thuận với diện tích của mạch lặp trong tiến trình dòng điện đó. Vì vậy, các mạch phải được thiết kế nhỏ nhất có thể. Ví dụ quan trọng nhất ở đây là mạch dòng điện giữa vi điều khiển và tụ rách rời. Bất kỳ nguồn điện nào có trở kháng nguồn cao hơn 0 Ohm , đặc biệt là ở tần số cao thì trở kháng dây cảm ứng trở nên quan trọng. Do đó dòng điện xung phủ một điện áp gợn lên nguồn điện DC góp phần vào việc bức xạ. Việc cung cấp nguồn cho vi điều khiển tại trở kháng thấp có thể làm giảm bức xạ này. 1.3.2. Nhiễu lõi xuyên nhiễu tới các cổng I/O 1.3.2.1. Trở kháng ghép chung Bất kỳ hai mạch cùng trở kháng chung trong nguồn cung cấp điện sẽ gây ra xuyên nhiễu với nhau. Phần bên trái của hình 1.3 mô tả sự lan truyền nhiễu lõi trong trường hợp nguồn cấp điện chung cho lõi và I/O-ring. Nhiễu gây ra bởi dòng điện lõi liên quan đến sụt áp trên cuộn dây và chân trở kháng. Hình 3 cho thấy các điện trở. Ngay cả khi hệ thống cấp nguồn trên PCB đã loại bỏ khỏi bất kỳ điện áp gợn, nguồn cấp điện cho chip bên trong sẽ gây nhiễu. Vì các bộ đệm cổng và lõi liên quan tới cùng nguồn cấp điện nội bộ, nhiễu truyền tới mỗi chân đầu ra thông qua các bán dẫn đang hoạt động. Nhưng không chỉ các chân đầu ra, các chân đầu vào cũng bị ảnh hưởng do các tụ pha tạp (ví dụ mạch bảo vệ) bên trong chip. Với cấu hình này các bộ nhạy EME có thể yêu cầu bộ lọc của mỗi chân. 6 Tiểu luận Tương thích Điện Từ Hình 1.3: Xuyên nhiễu của nguồn cấp điện tách rời đối lập thông dụng Hệ thống cấp nguồn tách rời cho lõi được mô tả bên phải hình 1.3. Bộ tách nên thực hiện trên cả hai mặt nguồn và tiếp đất để tránh tác động bất lợi của trở kháng ghép chung. Bằng cách đó, lõi liên quan đến bức xạ thông qua cổng I/O có thể được cải thiện đáng kể. 1.3.2.2. Điện dung và trở kháng ghép Các trở kháng ghép chung có hiệu quả đối với xuyên nhiễu từ lõi đến cổng I/O. Tuy nhiên, điện dung và trở kháng ghép bên trong chip và/hoặc gói cũng xảy ra. Tụ cảm ghép xảy ra bất cứ khi nào tiến trình dòng điện tần số cao truyền bên cạnh dây khác. Đối với chip tích hợp hiệu ứng này được giảm thiểu bằng cách định tuyến tối ưu nhưng các liên kết khó có thể được tối ưu khi nó có cấu trúc liên kết cao. 1.3.3. Xuyên nhiễu giữa các cổng I/O Tác động xuyên nhiễu do trở kháng ghép chung như mô tả ở trên thông thường cũng xảy ra giữa các cổng I/O. Lý do rõ ràng không chỉ mỗi và mọi cổng I/O có thể được cung cấp bởi hệ thống cấp nguồn điện riêng biệt. Do đó các tác động xuyên nhiễu có thể được giảm thiểu bằng các biện pháp thiết kế chip nhưng cũng không giảm được hết, cần tránh các chuyển mạch không cần thiết. Ví dụ, nếu đường truyền clock hệ thống không được sử dụng (chân open) nhưng vẫn kích hoạt, xuyên nhiễu tới các cổng I/O khác có thể quá cao để phù hợp với các yêu cầu về EME khắc khe. 7 Tiểu luận Tương thích Điện Từ Hình 4: Xuyên nhiễu giữa các cổng I/O 8 Tiểu luận Tương thích Điện Từ CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH IN ĐỂ CẢI THIỆN EMC TRONG VI ĐIỀU KHIỂN 2 2.1. Giải pháp EMC trên chip của vi điều khiển 2.1.1. Dung kháng trên chip nhúng Mục tiêu của việc tách nối tối ưu EME là đáp ứng được tối đa các yêu cầu về dòng cao tần bởi một hoặc nhiều hơn các tụ đôi (tụ có điện dung nhỏ). Nếu nhiều dòng cao tần được giữ lại trong mạch trên chip và tụ điện thì sẽ có ít sự ảnh hưởng của nguồn còn thừa cấp cho mạch. Để tối ưu hơn cho việc phối hợp trở kháng đường truyền thì thường các tụ điện được đặt ở mức gần nhất có thể với các chân cắm của bộ vi điều khiển. Để làm giảm dòng bức xạ mạch thì vùng mạch phải được thiết kế nhỏ lại. Nếu chỉ sử dụng duy nhất một kỹ thuật để thiết kế PCB thì sẽ khó đạt được các cải tiến quan trọng cần thiết, vì thế phương pháp đo đạc phù hợp là phải chuyển một phần các tụ ghép lên chip, khi đó sẽ giảm được các trở kháng kết nối và vùng mạch sẽ được kiểm soát dễ dàng hơn. Kỹ thuật dung kháng trên chip này là tương đối nhỏ để đáp ứng được toàn bộ việc tách nối, khi đó cần xét đến các điện dung trên PCB. Tuy vậy để có được dải tần cao thì cần phải triệt các bức xạ. 9 Tiểu luận Tương thích Điện Từ Hình 2.1: EME với các tụ tích hợp trên chip Hình 2.1 mô tả kết quả đo được từ việc so sánh hai vi điều khiển giống nhau với việc có và không có kỹ thuật thiết kế điện dung trên chip: không cần tăng kích cỡ của chip vẫn có thể đạt được dải tần rộng hơn 15dB, tiết kiệm được chi phí. 2.1.2. Tạo xung trải phổ (SSCG) Ở tần số cao thường thì bức xạ băng hẹp cao hơn rất nhiều so với bức xạ băng rộng. Phổ nguồn của băng hẹp dùng để biểu thị một phần của các tần số rời trong khi đó ở giữa thì biểu thị nhiễu của môi trường. Nếu một đỉnh nào đó vượt ngưỡng giới hạn thì ứng dụng đó sẽ lỗi mặc dù ở vùng tần số rộng vẫn thấy khoảng cách đến điểm giới hạn. Bằng cách chia nhỏ tần suất hoạt động của CPU thì năng lượng cao tần sẽ được trải đều trong dải tần số rộng, khi đó sẽ làm giảm được các đỉnh. Trong hình 2.2 đường màu xanh biểu thị các đỉnh bức xạ ở một tần số cụ thể, đường màu đỏ biểu thị các phổ đã được chia nhỏ với một bộ dò đỉnh và đường màu đen biểu thị phổ với một bộ dò chuẩn đỉnh. Việc điều chỉnh mức +-1% ở đỉnh bức xạ đã làm giảm được 10dB bằng việc phân bố năng lượng cao tần ở băng thông 2Mhz. Hình 2.2: EME với SSCG 10 [...]... của vi điều khiển thường là phần khó khăn nhất trong thiết kế mạch Ngay cả thiết kế PCB đa lớp mỗi mm đường mạch phải xử lý rất cẩn thận b Phác thảo mạch tương đương: Hình 2.9: Mạch tương đương Hình 2.10 cho thấy bố trí trong PCB Kết nối với mặt phẳng tiếp đất cục bộ càng ngắn càng khả thi Các đường mạch điện được định tuyến từ thiết bị thông qua các tụ đến VIA (lỗ kết nối thông qua các mặt phẳng), kết... Thiết kế mạch PCB cải thiện EMC trong vi điều khiển 2.2.1 Tối ưu hóa nguồn điện Hệ thống nguồn cung cấp điện của một PCB thường bao gồm một hệ thống nối đất và một hoặc nhiều nguồn điện Mạng lưới cung cấp nguồn điện và nối đất thường là mạng lưới phân phối hầu hết trong các mạch, do đó không may lại trở thành một ăng-ten phù hợp cho vi c sinh nhiễu cho các vi điều khiển Do đó phải hết sức cẩn thận trong. .. Chân cắm này cho phép người thiết kế PCB dễ dàng làm giảm thiểu độ lớn dòng trong mạch giữa chip vi điều khiển và tụ điện ghép Vi c giảm thiểu độ lớn dòng như thế này dĩ nhiên đòi hỏi mỗi tụ điện phải có nguồn cấp theo từng cặp, đồng thời vi c giảm độ lớn bo mạch cũng sẽ làm giảm các trở kháng kết nối trong các tụ ghép 11 Tiểu luận Tương thích Điện Từ Yêu cầu khi thiết kế PCB: chuyển các tụ ghép đến vị... đầu thiết kế mạch PCB cần phân tích tín hiệu quan trọng theo nền tảng như mô tả trong ví dụ ứng dụng này Cho rằng tín hiệu quan trọng nhất như đồng bộ, xung nhịp và tín hiệu chuyển mạch thường xuyên khác một hoặc nhiều biện pháp sau đây cần được áp dụng 19 Tiểu luận Tương thích Điện Từ 2.2.2.1 Kết cuối đường mạch Thiết kế mạch có thể lựa chọn rất nhiều kỹ thuật kết cuối khác nhau Kết cuối đường mạch. .. liệu về thiết kế hệ thống về EMC, che chắn, cáp,… Trong phạm vi của tiểu luận, nội dung chỉ tập trung vào một số khía cạnh về thiết kế phần cứng hoặc PCB với một vài kiến thức cơ bản về PCB-design để cải thiện EMC 24 Tiểu luận Tương thích Điện Từ Tài liệu tham khảo [1] PGS.TS Tăng Tấn Chiến, ĐHBK Đà Nẵng, Giáo trình môn học “Tương thích điện”, NXB Giáo dục Vi t Nam, 2010 [2] Cyril Troise, EMC design... đường mạch là cần thiết trên các dường mạch dài để tránh phản xạ hoặc trên đường mạch ngắn để tránh chuông Phổ biến nhất là kết cuối đầu hoặc cuối Kết cuối sau cũng ví dụ như giảm thiểu thời gian của tín hiệu và do đó có thể phù hợp để tối ưu hóa tốc độ Kết cuối đầu hay hoặc hàng loạt hạn chế tối đa dòng trên đường mạch tín hiệu và do đó thích hợp hơn cho vi c giảm phát xạ Điện trở cho kết cuối hàng loạt... bảng mạch Hình 2.21: Lồng chắn Faraday trên PCB KẾT LUẬN 23 Tiểu luận Tương thích Điện Từ Giảm nhiễu trong thiết kế PCB đã trở thành một vấn đề cực kỳ quan trọng Điều này là do một lượng lớn các thiết bị điện tử kỹ thuật số sử dụng ngày nay Có hai yếu tố chính đã góp phần vào sự gia tăng trong vấn đề nhiễu trong thiết bị Một là sự ra đời của thiết bị điện tử rất nhạy cảm với nhiễu Hai là các thiết. .. trong quá trình kiểm tra ứng dụng thì không những gây nên những tổn hại về chi phí mà đôi khi còn làm chậm quá trình giới thiệu sản phẩm ra thị trường, hơn nữa ngay tại giai đoạn cuối này phát sinh nhiều quyết định quan trọng hơn như là vi c lựa chọn thiết bị để thực hiện Vì thế cần phải có ưu tiên cho sự tính toán vi c tương thích trường điện từ ở mức LSI khi thiết kế một dự án vi điều khiển 2.2 Thiết. .. của mạch quan trọng như mạch điện dung phải được loại trừ trong mạch 16 Tiểu luận Tương thích Điện Từ này Phần thứ hai bên trái của hình 2.11 cho thấy một VIA dùng chung dẫn tới xuyên nhiễu giữa các mạch liên quan thế nào Phần bên phải cho thấy cách đi đường mạch đúng hơn Hình 2.11: Xuyên nhiễu do dùng chung VIA 3 Bộ lọc Khi các kỹ thuật thiết kế mô tả ở trên được tuân thủ thì sẽ đảm bảo yêu cầu về EMC. .. trọng cho sự phát xạ Tuy nhiên, vi điều khiển thường cung cấp một sơ đồ chân dao động cho phép các kết nối giữa thạch anh và vi điều khiển như thể hiện trong hình 2.17 Hơn nữa, chân tiếp đất liền kề cho phép dễ dàng thực hiện một vòng bảo vệ đặc biệt xung quanh các mạch dao động Hình 2.17: Bố trí mạch dao động tối ưu 21 Tiểu luận Tương thích Điện Từ 2.2.3.2 Nối đất mạch dao động Mặc dù trở kháng của . HỌC TÊN TIỂU LUẬN: THIẾT KẾ MẠCH IN ĐỂ CẢI THIỆN EMC TRONG VI ĐIỀU KHIỂN Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Học viên thực hiện : Phạm Minh Hải Khóa : K25 KTĐT 2012-2014 Đà Nẵng, tháng. các cổng I/O 8 Tiểu luận Tương thích Điện Từ CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH IN ĐỂ CẢI THIỆN EMC TRONG VI ĐIỀU KHIỂN 2 2.1. Giải pháp EMC trên chip của vi điều khiển 2.1.1. Dung kháng trên chip nhúng Mục. và thiết bị ngoại vi bao gồm bộ nhớ CAN. I/O-ring bao gồm hệ thống đường nối đất và nguồn với bộ đệm cổng và mạch bảo vệ của nó. Bộ cấp nguồn I/O-ring của hầu hết các vi điều khiển được tách rời