一、引言

在概念上，電磁兼容性(EMC)包含系統(tǒng)本身的電磁敏感性(EMS)以及電磁雜音發(fā)射(EME)兩個部分。EME描述的是器件在測試(DUT)的情況下是噪聲源，而EMS描述的是器件在 DUT的情況下是噪聲受害者。在大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計中，EMC變得越來越重要。如果設(shè)計的系統(tǒng)不干擾其它系統(tǒng)，也不受其它系統(tǒng)發(fā)射影響，并且不會干擾系統(tǒng)自身，那么所設(shè)計的系統(tǒng)就是電磁兼容的。

在電磁兼容設(shè)計中，“受害方”的概念通常指那些由于設(shè)計缺乏EMC考慮而受到影響的部件受害部件可能在基于MCU的PCB或者模組的內(nèi)部，也可能是外部系統(tǒng)通常的受害部件是汽車免持鑰匙入車(Keyless-Entry)模組中的寬帶接收器或者是車庫門開啟裝置接收器，由于接收到MCU發(fā)出的足夠強的雜訊，這些模組中的接收器會誤認為接收到了一個遙控信號。

從長遠角度來看，電磁環(huán)境噪聲在一個給定的空間內(nèi)是增長的，如圖1曲線所示，當在電子設(shè)備的抗干擾性高于電磁環(huán)境噪聲任何點時，電子設(shè)備的功能都不將受影響，遺憾的是，現(xiàn)在電子系統(tǒng)大部分具有較高的工作頻率和較低的電平開關(guān)門限(由于較低工作電源)，防噪聲能力逐漸下降，如圖1中的曲線2。

圖1∶環(huán)境噪聲長遠發(fā)展趨勢

二、MCU中存在的EMC

MCU一般包括通用型和專用型兩類，大部分都采用了各種不同形式的EMC技術(shù)，其中在用戶端無任何措施的情況下，有些技術(shù)是還是有效的，其它則需要適當?shù)牧粜腜CB設(shè)計。因此可以說，雜訊來源主要有兩部分∶MCU的內(nèi)部噪聲，MCU傳播到外面的噪聲。

MCU內(nèi)部存在四種主要的噪聲源∶內(nèi)部匯流排和節(jié)點同步開關(guān)產(chǎn)生的電源和地線上的電流;輸出管腳信號的變換;振蕩器工作產(chǎn)生的雜訊;開關(guān)電容負載產(chǎn)生的片上信號假像。根據(jù)經(jīng)驗，實際應(yīng)用中高頻率的窄帶雜訊比寬帶雜音能耗高，所以以下主要介紹窄帶雜訊。

1、主要噪聲源

除AD轉(zhuǎn)換器、振蕩器和I/Oring之外，所有內(nèi)部邏輯被列為內(nèi)核。典型的內(nèi)核和外部引腳是沒有關(guān)聯(lián)的，但電源引腳除外。例如，在圖2中內(nèi)核包含CPU、鎖相環(huán)、程序記憶體、RAM及周邊器件包括CAN記憶體。 I/Oring包括帶有埠緩沖的電源和地面通道系統(tǒng)以及保護電路。所以，大多數(shù)MCU的I/Oring電源和內(nèi)核電源是分開的。

圖2∶典型的MCU布局

(1)振蕩器

當涉及到時鐘和窄帶雜訊，大家自然而然地就會想到振蕩器。圖3顯示了NEC公司典型MCU的石英振蕩器信號X1和X2的措施。雖然信號不是完全的正弦波形，但比較接近。事實上，根據(jù)頻譜分析僅能表示少數(shù)一些諧波。此外，和MCU的總功耗相比，振蕩器的功耗是相當較低的，因此MCU的石英振蕩器引起的噪音輻射相當?shù)?。然而，信號形狀和其頻譜可能大大有別于其它類型的振蕩器，例如RC振蕩器。

圖3∶MCU的石英振蕩器引起的噪音

(2)內(nèi)核、PLL和時鐘樹

正弦時鐘不能使用在如MCU等內(nèi)部是數(shù)位邏輯的器件上，因此，在CMOS型MCU上，振蕩器時鐘被整形為矩形，并且通過時鐘樹分布在內(nèi)部裝置中。由于時鐘具有多種用途，到時鐘樹的各分支具有傳播延遲，必須調(diào)整時鐘邊緣到各地裝置大約在同一時間。所有開關(guān)型核心組件的電流幾乎是在同一時間內(nèi)，由此內(nèi)核的脈沖電流是一個主要的內(nèi)核噪聲源。

MCU通常使用兩種邊緣的時鐘，由此內(nèi)核電流的窄帶頻譜在內(nèi)核的運行頻率及其諧波頻率上呈現(xiàn)電流峰值，呈現(xiàn)的最高頻率一般是內(nèi)核運行頻率的兩倍。由于MCU通常包括一個或多個時鐘分頻器，因此低頻諧波也必須考慮。最后，內(nèi)部資料操作等在低電平時提供一些寬帶雜訊。一方面，振蕩器之前的外擴也是一個小的噪聲源，另一方面，內(nèi)核電流是和內(nèi)核的運作頻率相關(guān)的。

如果內(nèi)核頻率是一樣的，利用一個較慢的振蕩器和鎖相環(huán)(例如4MHz×4=16MHz)或使用較快振蕩器(例如16MHz)，這樣應(yīng)當引起相似級別的輻射。

(3)外部記憶體接口

外部記憶體接口包括地址匯流排，資料匯流排和一些控制信號。地址匯流排由MCU輸出，由于非線性存取順序提供的是非周期信號，因此，從EME角度講，地址匯流排相當于寬帶雜訊，低地址位通常比較高的地址位具有更多的開關(guān)頻率，所以這些都是較為重要的信號。

如果外部記憶體是唯讀或Flash記憶體，資料匯流排由記憶體驅(qū)動，即便記憶體是RAM，讀取周期也通常占主導(dǎo)地位。因此，資料匯流排的電磁輻射主要是決定于記憶體。

對于控制信號的電磁輻射，是記憶體接口上最應(yīng)當注意的部分。最關(guān)鍵的信號是系統(tǒng)和/或記憶體的時鐘驅(qū)動器(SDRAM)，因為它可產(chǎn)生巨大的窄帶雜訊，在啟動狀態(tài)下，即使引腳是開路的，它的噪聲也是較大的(參見到 I/O埠串擾的說明)，因此無論任何地方，時鐘驅(qū)動器都應(yīng)該被關(guān)掉。最后，由于這些開關(guān)信號(RAS、CAS、ASTB等)常常無規(guī)律的反復(fù)跳變，所以它們是潛在的噪聲源。

(4)I/O-ring上的通用埠

這些引腳的電磁輻射無法估計，由于這些引腳一般由用戶配置。靜電或偶爾開關(guān)引腳應(yīng)不會造成重大的輻射，而頻繁開關(guān)切換的引腳已被視為潛在噪音來源。重復(fù)的切換引腳由于其窄帶特性可能比非重復(fù)引腳包括較高的雜訊，例如系統(tǒng)時鐘或CSI時鐘，還有CSI資料輸出或CAN資料輸出。

2、雜音傳播到非開關(guān)引腳

開關(guān)引腳是很明顯的噪聲源，更糟糕的是，它會對不相連的引腳產(chǎn)生輻射影響。

(1)控制器供電系統(tǒng)

供應(yīng)系統(tǒng)一般是由一個或多個電源引腳以及相對應(yīng)的地引腳組成，MCU一般提供幾種隔離供電系統(tǒng)，不同的電源以及相對應(yīng)的地是彼此相互隔離的，每個供電系統(tǒng)必須至少有一個去耦電容，在較寬的頻率范圍提供所需低阻抗電源。

在MCU內(nèi)部，任何組件都直接或間接地連接到至少一個供電系統(tǒng)上，這樣，MCU內(nèi)部任何轉(zhuǎn)換都會引起電流流動。電流輻射是與電流流動的環(huán)路面積成正比的，因此，這些回路要設(shè)計盡可能小，在這?最佳示例是MCU與去耦電容之間的電流回路。[!--empirenews.page--]

任何電源都具有非0Ω的源阻抗，特別是在頻率較高的情況下，導(dǎo)線電感阻抗變得很大時，因此脈沖電流會將紋波疊加到直流電源上以至引起輻射，所以提供給MCU低阻抗的電源，可減少這種輻射。