Начало

Проиллюстрируем сказанное в предыдущей части статьи несколькими примерами.

Пример 1

На рис. 6 представлена схема кварцевого генератора микроконтроллера.

Основу генератора составляет инвертирующий усилитель, встроенный в микроконтроллер. Режим работы по постоянному току задается встроенным высокоомным резистором, включенным между входом и выходом этого усилителя. Для корректной работы генератора дополнительно к внешнему кварцевому резонатору ZQ1 требуются два конденсатора малой емкости — С1 и С2. Конденсаторы и минус питания микропроцессора подключены к внутреннему общему проводу устройства. Точки подключения конденсаторов и микроконтроллера к общему проводу печатной платы играют существенную роль. Малейший перекос напряжений общего провода между С1 и V SS , возникающий при прохождении НП по общему проводу устройства, будет многократно усилен и попадет внутрь микроконтроллера как короткий ложный тактовый импульс.
Поскольку длительность ложного тактового импульса намного меньше, чем длительность «настоящих», внутренняя логика микропроцессора может перейти в непредсказуемое состояние. Микропроцессор «зависнет», и не всякий встроенный сторожевой таймер сможет его сбросить, так как в некоторых микроконтроллерах сторожевые таймеры тактируются от общего генератора и сами могут «зависнуть» после воздействия такой помехи. На рис. 7 показаны примеры разводки этого узла на печатной плате. Фрагмент слева разведен обычным образом в предположении, что общий провод печатной платы эквипотенциален.

Конденсаторы С1 и С2 подключены к нему точно также, как и все остальные элементы, толщина проводников общего провода выбрана большой. Такая разводка встречается часто, но она не обеспечивает высокой помехоустойчивости. Фрагмент справа разведен таким образом, чтобы ток помех не протекал по дорожке, соединяющей конденсаторы С1 и С2 с выводом минуса питания микроконтроллера. Эта дорожка образует участок «чистого» общего провода. Помехоустойчивость микропроцессорного устройства с такой разводкой максимальная.
Пример 2
Вход сброса микроконтроллера является еще одной цепью, подверженной влиянию наносекундных помех.
Нередко разработчики игнорируют этот очевидный факт и используют разветвленную цепь сброса, непосредственно подключенную к различным узлам на плате. Перекос общего провода между источником сигнала сброса (часто это супервизор питания) и микроконтроллером вызывает ложный сброс устройства. Схемотехнически решить эту проблему нетрудно, достаточно на вход микроконтроллера добавить простую RC-цепочку, как показано на рис. 8.

Однако такое решение должно сопровождаться и правильной разводкой «холодного» вывода конденсатора С3, иначе никакой пользы оно не принесет. Требования к разводке проводника, соединяющего С3 с минусовым выводом микроконтроллера такие же, как для первого примера: никакие другие детали, кроме С3, к этому проводнику подключать нельзя. Исключение составляют только конденсаторы кварцевого генератора (С1 и С2 на рис. 6).

Пример 3

Обеспечить высокую помехоустойчивость устройства можно на этапе общей компоновки. Типичная плата устройства, при компоновке которой вопросы помехоустойчивости не были приняты во внимание, показана на рис. 9.

Для подключения внешних сигналов и питания в нем использованы все четыре кромки печатной платы. Микропроцессор расположен почти в центре печатной платы, т. е. в месте максимально подверженном влиянию наносекундных помех. В случае использования сплошного общего провода очень вероятно, что такое устройство будет сбиваться. Не меняя компоновки существенного улучшения помехоустойчивости в таком устройстве можно достичь, если разделить общий провод на «чистую» и «грязную» части, как условно показано на рис. 9. Наружный контур является «грязной» частью, он специально предназначен для распространения наносекундных помех. К «грязной» части нельзя подключать устройства, чувствительные к помехам. Внутренний «полуостров» «чистой» части соединен с «грязной» частью в одной точке. Во все сигнальные линии, проходящие между «чистой» и «грязной» частями, необходимо добавить резисторы или дроссели, чтобы преградить путь НП (барьеры).Дальнейшее улучшение помехоустойчивости достигается перекомпоновкой устройства, как показано на рис. 10. Видно, что все терминалы сосредоточены с одной «грязной» стороны платы. Тем самым путь распространения помех по общему проводу платы значительно сокращен.

Барьеры.

После того как внутренний общий провод устройства разделен на «чистые» и «грязные» части, возникает вопрос — как предотвратить проникновение помех из «грязной» части в «чистую»? Например, в устройстве на рис. 5 узел 2 подключен к «чистой» части, но он обменивается сигналами с узлом 3, который подвержен влиянию помех. В приведенном выше примере 3 было упомянуто, что сигнальные цепи, соединяющие узлы на «чистой» и «грязной» частях, должны содержать барьеры для помех — резисторы или дроссели. Практика показывает, что повсеместное использование барьеров обычно повышает помехоустойчивость устройства в несколько раз.

Пример 4

Рассмотрим микроконтроллер, управляющий мощной нагрузкой при помощи реле через биполярный транзистор (рис. 11).

Контакты реле являются источником наносекундных помех. Кроме того, внешние помехи достаточно легко проходят «сквозь» реле за счет его паразитной проходной емкости и емкостей монтажа. Вместе с тем ни реле, ни транзистор VT1 сами по себе влиянию НП не подвержены. Минусовый вывод микроконтроллера V SS подключен к «чистой» части общего провода, эмиттер транзистора VT1 — к «грязной». Резистор R1 помимо своей основной функции выполняет роль барьера, препятствующего распространению помех из «грязной» части в «чистую». Проходная емкость резистора, как правило, мала, порядка 0,2...0,3 пФ, поэтому резистор создает достаточно эффективный барьер для НП. В особо тяжелых случаях для уменьшения проходной емкости можно включать по два-три резистора последовательно. Если бы вместо биполярного использовался полевой транзистор, то R1 пришлось бы поставить именно в качестве барьера, хотя для функционирования схемы он был бы не нужен.

Пример 5

Другой типичный пример — подключение оптронов к микроконтроллеру. На рис. 12 представлен фрагмент входной и выходной оптронной развязки.

Эмиттер входного оптрона U1 подключен к «грязной» части общего провода, так как за счет проходной емкости в 0,5 пФ оптрон полупрозрачен для НП. Сам низкоскоростной оптрон достаточно безразличен к НП, но надо заметить, что оптроны с подключенным выводом базы фототранзистора иногда «ловят помеху», поэтому предпочтительней использовать оптроны без вывода базы. Резистор R1 может быть подключен как к «грязному», так и к «чистому» выводам питания, поскольку сам резистор является барьером, препятствующим прохождению НП на «чистое» питание. Резистор R2 сопротивлением 1...100 кОм служит барьером для помех между оптроном и микроконтроллером. Конденсатор С1 не является обязательным элементом, однако его наличие дополнительно улучшает помехоустойчивость, так как уменьшает ток помех, протекающий по выводу V SS микроконтроллера. Конденсатор С1 и микроконтроллер подключены к «чистой» части общего провода. Анод светодиода выходного оптрона U2 подключен к «грязному» питанию +5 В. Токозадающий резистор R3 одновременно служит барьером для помех. В особо тяжелой помеховой обстановке полезно зашунтировать светодиод оптрона конденсатором 1...10 нФ или хотя бы резистором. В случае, когда невозможно или неудобно подключать оптрон к «грязному» питанию, можно разделить токозадающий резистор на два, как это показано для оптрона U3. Резистор R5 служит барьером для помех между оптроном и «чистой» шиной питания +5 В.

ЕМКОСТНЫЕ СВЯЗИ

Часть тока помех на рис. 1 протекает через емкость связи С Х. Вспомним, что при испытании устройства на помехоустойчивость оно должно находиться на изолирующей подставке на высоте 100 мм над сплошной заземленной поверхностью. Иногда одной только емкости связи с землей бывает достаточно для сбоя устройства. Разделение общего провода на «чистую» и «грязную» части само по себе не уменьшает суммарную величину емкостной связи. Соотношение емкостей связи для «чистой» и «грязной» частей соответствует отношению их площадей. Вполне очевидными методами борьбы с емкостными связями являются перераспределение частей общего провода, уменьшение площадей проводников и частичное экранирование.
Обратите внимание на положение микропроцессора на рис. 10. Он расположен в углу платы, поэтому за счет емкостной связи сквозь него будет течь сравнительно небольшой ток. На рис. 9 он расположен иначе.
Большой полигон «чистой» части общего провода справа от него имеет значительную емкостную связь с истинной землей, поэтому вероятность сбоя будет намного больше.

Пример 6

На рис. 13 показаны два варианта разводки площадки общего провода под микроконтроллером. Вместо кварцевого резонатора и конденсаторов используется трехвыводной керамический резонатор для монтажа на поверхность Х1.

Разводка выполнена для гипотетического «правильного» микроконтроллера, разработчики которого позаботились о помехоустойчивости и расположили общий вывод между выводами генератора. Это не утопия, микроконтроллеры семейства M16C фирмы Renesas, которые являются одними из самых помехоустойчивых 16-битных микроконтроллеров, действительно имеют подобное расположение выводов. Неиспользованные выводы микроконтроллера подключены к внутренней площадке общего провода. На рис. 13 слева эта площадка соединена с «чистой» частью общего провода
платы несколькими переходными отверстиями. За счет этого устройство оказывается не помехоустойчивым. Ток помехи, протекающий по «чистой» части и уходящий в истинную землю через емкостную связь, создает градиент напряжения («перекос»). Переходные отверстия передают этот перекос на площадку под микроконтроллером. Ток помехи частично протекает через выводы микроконтроллера, подключенные к площадке, что может вызвать сбой. На рис. 13 справа площадка под микроконтроллером соединена с «чистой» частью в одной точке рядом с общим выводом микроконтроллера. Помехоустойчивость устройства максимальна, так как «чистая» часть на противоположной стороне платы при этом становится разновидностью экрана, защищающего «сверхчистую» площадку под микроконтроллером.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ПОМЕХИ

Помимо внешних источников наносекундных помех различные узлы внутри устройства сами могут генерировать взаимные помехи. Современные цифровые микросхемы, особенно БИС, тоже являются
источниками НП. В момент переключения сотни и тысячи транзисторов внутри БИС меняют свои состояния, в результате сотни и тысячи паразитных емкостей перезаряжаются (например, емкости затворов в микросхемах КМОП). В результате через выводы общего провода и питания микросхем протекают импульсные токи наносекундной и субнаносекундной длительности и большой амплитуды. Распространяясь по шинам общего провода и питания платы эти токи несколько ухудшают суммарную помехоустойчивость устройства, но сами по себе, как правило, причиной сбоев не являются. Для уменьшения вредного влияния этих токов в цепи питания рядом с микросхемами ставят керамические развязывающие конденсаторы. Конденсаторы должны устанавливаться как можно ближе к выводам общего провода и питания, чтобы уменьшить размер контура, по которому циркулируют токи перезарядки.

Сказанное является прописной истиной. Тем не менее, достаточно часто приходится слышать такие высказывания: «мое устройство сбивается, я поставил больше конденсаторов в цепи питания, а оно все равно сбивается». Складывается впечатление, что некоторые разработчики считают, будто развязывающие конденсаторы ставятся для защиты от внешних помех. Это, конечно, заблуждение. Вследствие такого заблуждения иногда встречаются платы, где развязывающие конденсаторы стоят вдалеке от микросхем, хотя ничто не мешало поставить их гораздо ближе к выводам питания. Особого рассмотрения заслуживает микросхема супервизора питания. Как известно, срабатывает она нечасто, так что наносекундных помех практически не создает. Однако она сама подвержена влиянию НП, поэтому вблизи супервизора питания необходимо ставить керамический развязывающий конденсатор. Это редкий
случай, когда такой конденсатор и в самом деле является фильтром для внешних помех.

Алексей Кузнецов, г. Аделаида, Австралия

Скачать статью

ЛИТЕРАТУРА:

1. Устойчивость к наносекундным импульсным помехам. ГОСТ Р 51317.4.4-99.
2. Устойчивость к электростатическим разрядам. ГОСТ Р 51317.4.2-99.
3. Методы проектирования аппаратного обеспечения. http://www.analog.com.ru/Public/10.pdf.
4. The Keith Armstrong Portfolio. http://www.compliance-club.com/KeithArmstrongPortfolio.htm.
5. SZZA009: PCB Design Guidelines For Reduced EMI. http://www-s.ti.com/sc/psheets/szza009/szza009.pdf.
6. SDYA011: Printed Circuit Board Layout for Improved Electromagnetic Compatibility. http://www-s.ti.com/sc/
psheets/sdya011/sdya011.pdf.
7. SCEA018: Comparison of Electromagnetic Interference Potential of Integrated Logic Circuits AVC, GTLP,
BTL and LVDS. http://www-s.ti.com/sc/psheets/scea018/scea018.pdf.
8. SLLA057: A Survey of Common-Mode Noise. http://www-s.ti.com/sc/psheets/slla057/slla057.pdf.
9. ANM085: EMC Improvement Guidelines. http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc3ae68a605a252.pdf.
10. AVR040: EMC Design Considerations. http://www.atmel.com/atmel/acrobat/doc1619.pdf.
11. AN1050: Designing for Electromagnetic Compatibility (EMC) with HCMOS Microcontrollers. http://e-
www.motorola.com/brdata/PDFDB/docs/AN1050.pdf.
11. AP2426: EMC Design Guideline for Microcontroller Board Layout. http://www.
infineon.com/cmc_upload/0/000/011/171/ap242602_EMC_DesignGuideline.pdf.