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1、微控制类家电产品抗扰措施培训,Elan Microelectronics Corporation,Page 2,EMC基础,电磁兼容（EMC Electro-Magnetic Compatibility）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。简言之，就是“不发干扰，不受干扰”。包含两方面内容电磁干扰（EMI Electromagnetic Interference）设备向外界发送的电磁骚扰能力电磁敏感度（EMS Electromagnetic Susceptibility）由于电磁能量造成设备性能下降的容易程度,Elan Microelec
2、tronics Corporation,Page 3,EMC问题三要素,电磁干扰源、耦合途径、敏感设备干扰源突然变化的电压或电流，即dv/dt 或 di/dt 很大耦合途径 传导干扰通过电源线、信号线、地线、大地等途径传播 空间干扰通过空间直接传播敏感设备容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。,Elan Microelectronics Corporation,Page 4,电磁干扰源,Elan Microelectronics Corporation,Page 5,电磁兼容标准体系,中国电磁兼容标准一览表,Elan Microelectronics C
3、orporation,Page 6,电磁兼容标准的内容,Elan Microelectronics Corporation,Page 7,瞬态脉冲干扰的抑制,瞬态：在两相邻稳定状态之间变化的物理量或物理现象，其变化时间小于所关注的时间尺度瞬态干扰特点：时间短，幅度大，频谱宽，对设备危害较大。产生瞬态干扰的原因：雷电、静电放电、电力线上的负载通短（特别是感性负载）、核电磁脉冲等。,Elan Microelectronics Corporation,Page 8,常见瞬态干扰,常见的瞬态干扰有电快速瞬变脉冲群（EFT）、浪涌（SURGE）、静电放电（ESD）三种三种瞬态干扰的比较,Elan Mic
4、roelectronics Corporation,Page 9,引言,随着单片微机在各个领域中的应用越来越广泛，对其可靠性要求也越来越高。单片机系统的可靠性由多种因素决定，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。工业环境有强烈的电磁干扰，因此必须采取抗干扰措施，否则难以稳定、可靠运行。,Elan Microelectronics Corporation,Page 10,一般而言，电磁干扰的形成是由干扰源产生、通过传播途径、影响到受扰设备。因此，抗干扰的关键在于抑制干扰源、合理设计传播途径、降低受扰设备的敏感度。抗干扰措施有硬件措施和软件措施。硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会
5、有少数干扰进入单片机系统，故软件措施作为第二道防线必不可少。由于软件抗干扰措施是以MCU为代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰，MCU将疲于奔命，无暇顾及正常工作，严重影响系统的工作效率和实时性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。,Elan Microelectronics Corporation,Page 11,硬件措施和软件措施,对于抗干扰而言，硬件措施会涉及到整个系统工作的每个环节，包括干扰源、传播路径、敏感器件，所以没有单独罗列而软件措施主要是针对MCU而言，该部分将在敏感器件MCU部分详细介绍。,Elan Microelectronics Corporation,
6、Page 12,抗扰三部曲后续的描述主要针对家电类低频产品，高频部分略有提到抑制干扰源优化传导路径提高敏感器件的抗扰能力,Elan Microelectronics Corporation,Page 13,抑制干扰源抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。抑制干扰源的常用措施如下：,Elan Microelectronics Corporation,Page 14,A）继电
7、器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。B）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。C）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。电路板上每个IC要并接一个0.01F0.1 F高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。D）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。E）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个
8、噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。,Elan Microelectronics Corporation,Page 15,提高敏感器件的抗扰能力,单片机系统需要考虑的敏感器件包括2部分；1）MCU2）A/D、D/A变换器，数字IC，弱信号放大器等对于除MCU外的敏感器件：A）A/D类器件，用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。B）数字IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源，输入端加RC电路滤波C）弱信号电路周围不要形成电流环路 MCU做为单片机系统的核心，它的抗扰措施是否到位，对整个系统的稳定运行有很大的关系，下面我们将详细介绍该部分,Elan Mic
9、roelectronics Corporation,Page 16,对于ELAN 的78系列8BIT MCU，如下措施可增强抗扰性：1.1 MCU的振荡电路振荡电路的地单独连到MCU的VSS，且走线越短越粗越好石英晶体或匹配电容下面不要走线。石英晶体振荡器外壳接地；地线半包或全包振荡电路IRC的振荡方式，因为振荡的地在MCU内与VSS连接在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选 用低速数字电路。1.2MCU的电源和地对MCU的电源和地,尽量单独引线连接,Elan Microelectronics Corporation,Page 17,1.3复位电路 MCU复位电路的电源和地单独连到
10、MCU的VDD和VSS，且走线越短越粗越好。使用外部复位电路的抗扰性比内部RESET好 对抗干扰而言，三极管的复位电路是最保险的，如果用户的电源上电和掉电都满足SPEC的要求，通过测试，发现RC电路的抗扰性也不错1.4回避抗扰性较弱的口义隆一直在致力于改善MCU的性能，提高MCU的品质，04、05年以来，陆续推出了一系列功规级产品，抗扰实测结果也很理想。但对旧产品EM78X458/9，因为历史的原因，P50/INT很弱，如果用到该口的/INT功能，抗扰性一般达不到要求，因此，建议客户用EM78X417/8代替。如果万一还是要用到EM78X458/9，/INT口要接高电平。,Elan Micro
11、electronics Corporation,Page 18,4.输入的处理MCU本身是接受电源系统的供电的，为了最大限度得到 干净的电源，建议对MCU单独引线供电。MCU有很多输入口，但单片机系统中，一般会有市电过0点检测，按键检测，各种senser的ADC检测，无线或红外接收检测、通讯信号检测等 A）干扰较大的输入口：如过0检测，电压直接从市电过来，要并104滤波B）按键检测口：如果有需要可以对敏感的按键口并滤波电容 C）ADC检测口：外部的输入阻抗小于10K欧姆 D）接收检测口：一般建议用RC电路进行滤波E）通讯检测口：通讯器件间的距离越短越好，也可以加RC滤波电路，但不要让波形失真F
12、）对于单片机闲置的输入口，不要悬空，要接地或接电源；或设为输出，给出电平,Elan Microelectronics Corporation,Page 19,5 输出部分 A）输入输出共用口，抗干扰设计都要有顾及 输出口的驱动能力保证在SPEC给出的范围内，如下图，串联电阻太大，IO口直接驱动可能会有问题，改为4.7K以下便OK,B）对于驱动大功率器件，输出口采用光电、磁电、继电器隔离，对于关键的高低电平驱动，设置内部上拉或下拉保证系统的安全。C）在输入和输出通道上采用各种隔离器来进行信息传输是很有好处的，它将单片机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡,El
13、an Microelectronics Corporation,Page 20,MCU增强抗扰性的软件措施1.对单片机使用电源监控及看门狗电路，为节约成本，建议使能单片机的WDT功能2.重复输入或输出：2.1为了确保判断正确，可以对输入口连续多次判断2.2 有时为防止单片机输出信号被干扰，设计者会通过锁存器锁存后传送给驱动电路，但锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当前数据，软件上，可以通过重复输出同一个信号来改善。只要重复周期尽可能短，锁存器接收到一个被干扰的错误信号后还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信号又来到，就可以及时防止错误动作的产生。,Elan Microelectronics Co
14、rporation,Page 21,3.掉电保护电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常。对付这一类事故的有效方法就是掉电保护。掉电信号通过硬件电路被软件检测到，马上进行现场保护，保存当时重要的状态参数，当电源恢复正常时，CPU重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。4.睡眠抗干扰IN SLEEP MODE，MCU对干扰不会作出任何反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。5.跳转和设置指令,Elan Microelectronics Corporation,Page 22,A）在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入NOP指令，在某些对系统工作
15、状态至关重要的指令前也可插人NOP指令B）对重要的标志位进行实时刷新5.在如下位置设置软件陷阱，软件陷阱指向出错处理程序ERR A）程序区。程序区是由一串串执行指令构成的，在这些指令串之间常有一些断裂点，正常执行的程序到此便不会继续往下执行了，这类指令有JMP、RET等。这时的值应发生正常跳变。如果还要顺次往下执行，必然就出错了我们在这种地方安排陷阱之后，就能有效地捕捉住它，而又不影响正常执行的程序流程,Elan Microelectronics Corporation,Page 23,B）未使用的中断向量区。当干扰使未使用的中断开放，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。如果在这些地方布上陷
16、阱，就能及时捕捉到错误中断 C）未使用的大片ROM空间；每隔一段设置一个陷阱D）在表格的最后安排软件陷阱,Elan Microelectronics Corporation,Page 24,优化传播路径,优化传播路径也是增强抗扰性不可忽视的一环有的用户设计时，在抑制干扰源和增强敏感元件的抗扰性上都有所注意，但单片机系统的抗电磁干扰能力还是一般，那么可能的一个原因就是在通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道时，干扰得到了扩大而不是可能的最小。为了降低传播路径的干扰，以下3点在PCB设计时需要特别注意：,Elan Microelectronics Corporation,Page
17、 25,一、PCB上元器件布局 1.根据频率布局元器件不同的频率其干扰以及抑制干扰的方法也不相同，可以按下图所示布局元器件：,Elan Microelectronics Corporation,Page 26,2.根据电路性质布局元器件 2.1一般的PCB都是由模拟信号电路部分，高速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）组成，合理的分开它们，使相互间的信号耦合为最小非常关键。有条件的应使之各自隔离或单独做成一块电路板。下图为我司开发的一个空调控制板，过EFT能到4KV，下边有它的对应电路布置框图，供用户比对参考,Elan Microelectronics Corporation,P
18、age 27,Elan Microelectronics Corporation,Page 28,Elan Microelectronics Corporation,Page 29,2.2在元器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果；每块电路，特别是弱电及数字电路部分，应充分考虑敏感元件，对它们单独供电或串接在电路的末端。3.布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向途径等问题，按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。4.时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠
19、近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路,Elan Microelectronics Corporation,Page 30,二PCB板的地线设计在控制类电子产品中，PCB的地线与所有的元器件都有关联，因此，合理的设计地线是控制干扰的重要方法有的用户可能对地线的重要性认识不足：所有的地线都是连在一起的，它们是等电势的，而干扰都是瞬时的脉冲电压，2者会有关系吗？实际上，地线上的电位并不是恒定的。大家知道导线都有电感，电感的感抗为：XL=L=2f L 直流时，导线的阻值很小（可以忽略），但高频交流时，阻值及对应的压差会相当可观。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信
20、号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响也十分可观的。,Elan Microelectronics Corporation,Page 31,地线的干扰原理，主要有2种：地环路干扰：由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。公共阻抗干扰：当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个
21、电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。,Elan Microelectronics Corporation,Page 32,地线干扰对策：1.对于地环路干扰，只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此，建议用户使用共模扼流圈、隔离变压器、光隔离器减小或隔离电流。2.消除公共阻抗耦合消除公共阻抗耦合的途径有两个：2.1减小公共地线部分的阻抗减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线，用多条相距较远的并联导体作接地线,Elan Microelectronics Corporation,Page 33,尽量降低数个电路
22、共用的接地阻抗所产生的杂讯电压避免产生不必要的地回路而感应外在的磁场杂讯，或造成不同接地点间的电位差,良好接地的原則,Elan Microelectronics Corporation,Page 34,2.2通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地，如图4 所示。并联接地的缺点是接地的导线过多。实际Layout中，也没有必要对所有电路都并联单点接地。建议采用串并结合的方式，如图5所示。,Elan Microelectronics Corporation,Page 35,A）对影响大的干扰源，单独拉地线实现并联单点接地B）对敏感器件，特
23、别是MCU，单独拉地线实现并联单点接地C）对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。也可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。,Elan Microelectronics Corporation,Page 36,接地阻抗引起的干擾,多點接地就近接地,最短接地路線高頻電路最佳接地方法低頻作用時,類似串接單點接地單點接地串接單點接地最差的接地法並接單點接地低頻電路最佳接地方法高頻下會產生天線效應,訊號接地方式,Elan Microelectronics Corporation,Page 37,局部电源和IC间的去
24、耦元器件需要供电来激活，对于局部电源，一般而言，接线方式建议同相配合地线的接线方式一样。例如，继电器的地单独接地，电源最好也单独引线。当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声传播。连接着电源输入口与PCB之间的大容量旁路电容起着一个低频骚扰滤波器的作用，同时作为一个电能贮存器以满足突发的功率需求所以，配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制线路板的可靠性设计的一种常规做法，相关的配置原则为：,Elan Microelectronics Corporation,Page 38,A）电源电路的稳压电容
25、取100F以上的电解电容，局部电源输入端跨接10F左右的电解电容。B）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01F的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个110F的钽电容。C）相对而言，器件的输入抗噪能力较弱、输入断并联一个0.01F的瓷片电容可以有效的增强系统抗扰性。D）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。E）去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算：即10MHz取0.1F。对微控制器构成的系统，取0.10.01F之间都可以。F）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取12k，C取2.2
26、4.7F。,Elan Microelectronics Corporation,Page 39,設備之EFT防治實例,注意電源線濾波電容(10f電解電容)與旁路電容(0.1f積層電容)的擺放位置,影響很大,Elan Microelectronics Corporation,Page 40,家电类 产品抗扰度试验包括：电快速瞬变脉冲群测试AC NOISE测试浪涌测试静电放电测试,Elan Microelectronics Corporation,Page 41,一般比较常见的抗扰度测试有EFT和ESD，EFT的干扰是从市电输入端直接进入，通过LAYOUT作用在单片机系统元件上，因此，系统的抗扰性
27、与PCB的设计、软件的设计息息相关。而ESD是直接对MCU的PIN脚的测试，与MCU本身的抗静电性能有关。当然，ESD对MCU的干扰，主要是通过破坏MCU的内部IO口电路，增加MCU的耗电，因此，通过修改PCB的供电元件参数，提高MCU供电的稳定性，也能提供系统的抗ESD能力。下面给出了几个提高单片机系统的抗EFT的实例和分析，供用户参考。,Elan Microelectronics Corporation,Page 42,下面是EM78P156N暖风机板的修改示图，该板没改前过EFT2.0KV都有问题，改后已达到客户要求能过3.0KV,Elan Microelectronics Corpor
28、ation,Page 43,Elan Microelectronics Corporation,Page 44,下面是EM78P257B洗衣机板的修改示图，该板没改前过EFT0.2KV都有问题，改后已达到客户要求能过正负1.8KV,Elan Microelectronics Corporation,Page 45,Elan Microelectronics Corporation,Page 46,下面是EM78P447N微波炉板的修改示图，该板没改前过EFT2KV都有问题，改后能过正负4KV,Elan Microelectronics Corporation,Page 47,Elan Micr
29、oelectronics Corporation,Page 48,下图为用EM78P468N做的电饭煲，通过如下的修改，过EFT能力从3KV提升到4KV,Elan Microelectronics Corporation,Page 49,Elan Microelectronics Corporation,Page 50,通过改板来改善单片机系统的抗扰性并不是用户的初衷，实际上，用户完全可以通过好的PCB设计，硬件上加滤波电路，电路结构OK，再加上软件配合和针对MCU的设计来一次性达到良好的抗干扰效果，而省去修改线路、重复LAYOUT、TEST的动作。下图是用EM78P447N设计的一款微波炉，EFT测试时，发现按键部分有点小问题，软件修改以后，EFT测试直接过正负4KV。,Elan Microelectronics Corporation,Page 51,Elan Microelectronics Corporation,Page 52,Elan Microelectronics Corporation,Page 53,Elan Microelectronics Corporation,Page 54,Thank you for attending this presentation！,
