PCB設計におけるデジタル回路とシングルチップマイコンの耐干渉設計

電子システムの設計では、回り道を避けて時間を節約するために、設計が完了した後に干渉防止のための是正措置を回避するために、干渉防止要件を十分に考慮して満たす必要があります。干渉を形成する 3 つの基本要素があります。

(1) 干渉源とは、干渉を発生させるコンポーネント、機器、または信号を指します。数学用語で言うと、di/dt が大きい du/dt が干渉源です。たとえば、雷、リレー、シリコン制御整流器、モーター、高周波クロックなどが干渉源になることがあります。

(2) 敏感なデバイスとは、干渉されやすいオブジェクトを指します。例：A/D、D/Aコンバーター、マイコン、デジタルIC、微弱信号アンプなど

(3) 伝播経路とは、干渉が干渉源から影響を受けやすいデバイスに伝播する経路または媒体を指します。典型的な干渉伝播経路は、ワイヤを介して伝導され、空間から放射されます。

干渉防止設計の基本原則は、干渉源を抑制し、干渉伝播経路を遮断し、敏感なデバイスの干渉防止性能を向上させることです。（感染症予防と同様）

1.干渉源を抑える

干渉源の抑制とは、干渉源の du/dt、di/dt をできるだけ減らすことです。これは、干渉防止設計において最も優先順位が高く、最も重要な原則であり、多くの場合、半分の労力で 2 倍の結果を達成できます。干渉源の du/dt は、主に干渉源の両端にコンデンサを並列接続することによって低減されます。干渉源の di/dt は、直列にインダクタンスまたは抵抗を追加し、干渉源回路にフリーホイールダイオードを追加することによって低減されます。

circuit board

干渉源を抑制するための一般的な対策は次のとおりです。

(1) 高周波ノイズの放射を減らすために、配線中に 90 度のポリラインを避けてください。

(2) リレーコイルにはフリーホイールダイオードが追加されており、コイルが切断されたときに発生する逆起電力干渉を排除します。フリーホイールダイオードを追加するだけで、リレーの切断時間が遅くなり、電圧安定化ダイオードを追加した後、リレーは単位時間内により多くの回数動作できます。

(3) リレー接点の両端に火花抑制回路を並列に接続（一般的には RC 直列回路、抵抗 K ～数十 K、静電容量 0.01uF）して、電気火花による影響を軽減してください。

(4) モータにフィルタ回路を追加し、コンデンサとインダクタのリード線をできるだけ短くすることに注意してください。

(5) 基板上の各 IC には 0.01 μ F～0.1 μ F の高周波コンデンサを並列に接続し、IC の電源への影響を低減してください。高周波コンデンサの配線に注意してください。配線は電源端子の近くで、できるだけ短くする必要があります。そうしないと、コンデンサの等価直列抵抗が増加し、フィルタリング効果に影響します。

(6) サイリスタから発生するノイズを低減するため、サイリスタの両端に並列に RC 抑制回路が接続されています (ノイズがひどい場合、サイリスタが破壊される可能性があります)。干渉の伝播経路に応じて、伝導干渉と放射干渉に分けることができます。

いわゆる伝導性干渉とは、ケーブルを介して敏感なデバイスに伝達される干渉を指します。高周波干渉ノイズの周波数帯域は、有用な信号の周波数帯域とは異なります。配線にフィルタを追加することで、高周波干渉ノイズの伝達を遮断できます。この問題を解決するために、絶縁フォトカプラを追加できる場合があります。電源ノイズは最も有害ですので、取り扱いには特に注意してください。いわゆる放射線干渉とは、宇宙放射線を介して敏感なデバイスに伝達される干渉を指します。一般的な解決策は、干渉源と敏感なデバイスの間の距離を広げ、それらをアース線で分離し、敏感なデバイスにシールドを追加することです。

2. 干渉伝搬経路を遮断する一般的な手段は次のとおりです。

(1) MCU への電源供給の影響を十分考慮してください。電源がうまくできていれば、回路全体の干渉防止は半分以上解決されます。多くのシングルチップコンピュータは、電源ノイズに非常に敏感です。シングルチップコンピュータへの電源ノイズの干渉を減らすには、フィルタ回路または電圧レギュレータをシングルチップコンピュータの電源に追加する必要があります。たとえば、磁気ビーズとコンデンサを使用してπ型のフィルタ回路を形成できます。もちろん、条件が厳しくない場合は、磁気ビーズの代わりに 100 Ω 抵抗を使用することもできます。

(2) シングルチップマイコンの I/O ポートを使用してモータなどのノイズデバイスを制御する場合、I/O ポートとノイズ源との間にアイソレーションを追加する (π フィルタ回路を追加する)。モーターなどのノイズ機器を制御するために、I/O ポートとノイズ源の間にアイソレーションを追加する必要があります (π フィルタ回路を追加する必要があります)。

(3) 水晶振動子の配線に注意してください。水晶振動子はマイクロコントローラのピンのできるだけ近くに配置し、クロック領域はアース線で絶縁する必要があります。水晶振動子のシェルは接地して固定してください。この手段により、多くの困難な問題を解決できます。

(4) 回路基板は、強い信号と弱い信号、デジタル信号とアナログ信号など、合理的に分割されていること。干渉源 (モーターやリレーなど) を敏感な要素 (SCM など) から遠ざけるようにしてください。

(5) デジタル部とアナログ部はアース線で絶縁してください。デジタルグランドはアナロググランドから分離し、最終的に電源グランドに一点接続します。 A/DやD/Aチップの配線もこの原理に基づいています。メーカーは、A/D および D/A チップのピン配置を割り当てる際に、この要件を考慮しています。

(6) シングルチップマイコンとハイパワーデバイスのアース線は、相互干渉を少なくするため、別々にアースしてください。高出力デバイスは、回路基板のできるだけ端に配置する必要があります。

(7) 磁気ビーズ、磁気リング、電源フィルター、シールドカバーなどの干渉防止コンポーネントは、I/O ポート、電源ライン、回路基板接続ライン、およびマイクロコントローラーのその他の重要な領域で使用されます。回路の干渉性能。

3.敏感なデバイスの干渉防止性能を向上させます

敏感なデバイスの耐干渉性能を向上させるとは、干渉ノイズのピックアップを最小限に抑え、敏感なデバイスからできるだけ早く異常な状態から回復する方法を指します。

敏感なデバイスの耐干渉性能を向上させる一般的な手段は次のとおりです。

(1) 配線中は、誘導ノイズを低減するためにループの面積を最小限に抑える必要があります。

(2) 電源線、アース線は極力太く配線してください。電圧降下を減らすことに加えて、結合ノイズを減らすことがより重要です。

(3) マイコンのアイドル I/O ポートは、宙吊りにせず、接地または電源に接続してください。他の IC のアイドル端子は、システムロジックを変更せずに接地または電源に接続されます。

(4) IMP809、IMP706、IMP813、X25043、X25045 などの SCM 用の電源監視およびウォッチドッグ回路を使用すると、回路全体の干渉防止性能を大幅に向上させることができます。