01Feb

Andy コメント件

シングルチップマイコン設計における電磁両立性への対処法

シングルチップマイコンの回路設計において、電磁干渉が設計自体の入出力に与える影響については、初心者にとってはあまり注意を払わないかもしれませんが、電子技術者にとっては、そうではないことは自明のことです。制御におけるシングルチップマイクロコンピュータの能力と精度にのみ関連するだけでなく、業界内の企業の競争にも関連しています。電磁干渉の設計は、主にハードウェアとソフトウェアの両面から対応しています。 MCU の PCB 設計からソフトウェア処理までの電磁両立性の取り扱いについて紹介します。

EMCに影響を与える要因

1. 電圧

電源電圧が高いほど、電圧振幅が大きくなり、より多くのエミッションが発生します。電源電圧が低いほど感度に影響します。

2.頻度

高周波数はより多くの放射を生成し、周期信号はより多くの放射を生成します。高周波シングルチップマイクロコンピュータシステムでは、デバイスのスイッチング時に電流スパイク信号が生成されます。アナログシステムでは、負荷電流が変化すると電流スパイクが発生します。

3. 接地

すべての EMC 問題の中で、主な問題は不適切な接地によって引き起こされます。

信号の接地方法には次の 3 つがあります。

1. シングルポイント、マルチポイント、混合。周波数が 1MHz 未満の場合、一点接地方式を使用できますが、高周波には適していません。

2. 高周波アプリケーションでは、多点接地が推奨されます。

3. ハイブリッド接地とは、低周波を一点接地、高周波を多点接地する方式です。アース線のレイアウトが重要です。高周波デジタル回路のグランド回路と低レベルアナログ回路のグランド回路を混在させないでください。

4. 基板設計

EMI を防止するには、適切な PCB 配線が不可欠です。

5. 電源カップリング

デバイスが切り替わると、電源ラインに過渡電流が発生するため、これらの過渡電流を減衰させてフィルタリングする必要があります。

高 di/dt ソースからの過渡電流は、グランドとトレースの「放射」電圧につながり、高 di/dt は広範囲の高周波電流を生成して、コンポーネントとケーブルの放射を刺激します。

電線に流れる電流変化とインダクタンスは電圧降下につながり、インダクタンスや電流の経時変化を小さくすることで電圧降下を小さくすることができます。

干渉対策のハードウェア処理方法

1. プリント基板（PCB）の電磁両立性設計

PCB は、回路コンポーネントとデバイス間の電気的接続を提供する、マイクロコントローラーシステム内の回路コンポーネントとデバイスの支持部分です。電子技術の急速な発展に伴い、PCB の密度はますます高くなっています。

PCB 設計の品質は、シングルチップマイクロコンピュータシステムの電磁適合性に大きな影響を与えます。回路図が正しく設計されていて、プリント回路基板が不適切に設計されていても、シングルチップマイクロコンピュータシステムの信頼性に悪影響を及ぼすことが実際に証明されています。

たとえば、プリント回路基板の 2 つの細い平行線が近接している場合、信号波形の遅延が形成され、伝送線の端に反射ノイズが形成されます。

したがって、プリント回路基板を設計するときは、正しい方法を採用し、PCB 設計の一般原則に従い、干渉防止設計要件を満たすことに注意を払う必要があります。電子回路の優れた性能を得るためには、部品と配線のレイアウトが非常に重要です。

2. 入出力の EMC 設計

SCM システムでは、入力/出力は干渉源の伝送線でもあり、RF 干渉信号を受信するためのピックアップソースでもあります。一般に、設計時には効果的な対策を講じる必要があります。

① 必要なコモンモード・ディファレンシャルモード抑圧回路を採用し、干渉の進行を抑えるために一定のフィルタリングや電磁シールド対策を講じること。

② 条件が許せば、干渉の伝播を遮断するために、さまざまな絶縁手段（光電絶縁または磁気電気絶縁など）を可能な限り講じる必要があります。

printed circuit board

3. シングルチップマイコンのリセット回路設計

のマイコンシステムにおいて、ウォッチドッグシステムはマイコン全体の動作において特に重要な役割を果たします。すべての干渉源を分離または除去することはできないため、CPU がプログラムの通常の動作に干渉すると、ソフトウェア処理手段と組み合わせたリセットシステムが効果的なエラー訂正防御バリアになります。

2 つの一般的なリセットシステムがあります。

①外部リセット方式。外部「ウォッチドッグ」回路は、特別な「ウォッチドッグ」チップを使用して設計または構築できます。

ただし、それらには独自の長所と短所があります。特別な「ウォッチドッグ」チップのほとんどは、低周波の「ドッグフィーディング」信号に応答できませんが、高周波の「ドッグフィーディング」信号は応答できるため、低周波の「ドッグフィーディング」信号ではリセットアクションを生成できますが、そうではありません。高周波の「犬の餌やり」信号の下でアクションをリセットします。このように、プログラムシステムが無限サイクルに陥った場合、サイクル中に「ドッグフィーディング」信号が発生すると、リセット回路は本来の機能を実現できなくなります。

ただし、非常に効果的な外部監視システムである、バンドパス「ドッグフィーディング」回路とその他のリセット回路で構成されるシステムを設計できます。

②現在、シングルチップマイコンには独自のリセット機構が搭載されており、ユーザが内蔵リセットタイマを手軽に利用できるようになっています。ただし、シングルチップマイコンの機種によっては、リセット命令が単純すぎるため、上記の無限ループのような「ドッグフィーディング」命令もあり、監視の役割を失ってしまいます。

一部の SCM チップリセット命令は、より適切に機能します。一般に、「犬の餌付け」信号を複数の命令の固定形式にして、順番に実行します。何らかのエラーが発生すると、「ドグ送り」操作が無効になり、リセット回路の信頼性が大幅に向上します。

4.オシレーター

ほとんどのシングルチップマイクロコンピュータには、外部の水晶振動子またはセラミック振動子に結合された発振回路があります。 PCB 基板では、外部に接続されるコンデンサ、水晶またはセラミック振動子のリード線をできるだけ短くする必要があります。

RC オシレータは干渉信号の影響を受けやすい可能性があり、非常に短いクロックサイクルを生成する可能性があります。したがって、水晶振動子またはセラミック振動子をお勧めします。また、水晶のシェルは接地してください。

5. 避雷対策

屋外で使用するシングルチップマイコンシステムや、屋外から引き込む電源線、信号線は、システムの避雷対策を考慮してください。一般的な避雷装置には、ガス放電管、TVS (過渡電圧抑制) などがあります。

電源の電圧が一定以上になると、通常は数十ボルトから数百ボルトになります。ガスが分解して放電し、電力線上の強力な衝撃パルスを地面に導きます。

TVS は、並列で反対方向の 2 つのツェナーダイオードと見なすことができます。両端の電圧が特定の値よりも高い場合、TVS が導通します。その特徴は、一時的に数百または数千アンペアを通過できることです。

干渉対策のソフトウェア処理方法

電磁干渉源によって生成された干渉信号は、特定の状況 (過酷な電磁環境下など) では完全に除去できず、CPU によって処理されるコアユニットに入ります。このように、一部の大規模集積回路はしばしば干渉を受け、正常に動作しなかったり、エラー状態になったりします。

特に、ストレージに双安定性を使用する RAM などのデバイスは、強い干渉下で反転する傾向があり、元の "0" が "1" になったり、"1" が "0" になったりします。一部のシリアル伝送の時間シーケンスとデータは、干渉により変化します。さらに深刻なことに、いくつかの重要なデータパラメータが破損します。結果はしばしば非常に深刻です。

この場合、ソフトウェア設計の品質がシステム全体の干渉防止能力に直接影響します。

1. 電磁干渉により、プログラムはおおよそ次の条件を満たします。

① プログラムが実行されます。

これは非常に一般的な干渉結果です。一般的に言えば、優れたリセットシステムまたはソフトウェアフレーム測定システムで十分であり、オペレーティングシステム全体に大きな影響を与えることはありません。

②ループまたはプログラムコードの異常動作。

もちろん、このような無限ループや異常なプログラムコードは、設計者が意図的に書いたものではありません。プログラム命令はバイトで構成されており、シングルバイト命令とマルチバイト命令があることがわかっています。干渉が発生すると、PC ポインタが変更されるため、元のプログラムコードが再編成されて、予測できない実行可能プログラムコードが生成されます。

すると、このエラーは致命的です。重要なデータパラメータが変更される可能性があり、予測不能な制御出力などの一連のエラー状態が生成される可能性があります。

2. 重要パラメータの保存対策

一般に、エラーの検出と修正を使用して、この状況を効果的に軽減または回避できます。

エラー検出と訂正の原理によると、主な考え方は、データが書き込まれると、書き込まれたデータに従って特定の桁数のチェックコードが生成され、対応するデータとともに保存されるということです。読出し時にはチェックコードも読出し判断する。

エラーが発生した場合は、自動的に修正され、正しいデータが送信され、修正されたデータが書き戻されて元のエラーデータが上書きされます。 2 ビットエラーが発生すると、例外を処理するように CPU に通知する割り込みレポートが生成されます。

これらのアクションはすべて、ソフトウェア設計によって自動的に完了し、リアルタイムおよび自動完了の特性を備えています。このような設計により、システムの干渉防止能力が大幅に向上し、システムの信頼性が向上します。

エラー検出と訂正の原則:

·まず、エラーの検出と訂正の基本原理を見てみましょう。エラー制御の基本的な考え方は、情報コード群に一定のルールで冗長コードをさまざまな方法で追加し、情報を読み取る際に冗長監視コードまたは訂正コードを頼りにエラーを発見または自動的に訂正することです。

・エラーコード発生の特性、すなわちエラー発生のランダム性と小さな恣意性により、ほとんどの場合バイト中のビットにランダムに影響します。したがって、ビットエラーの自動訂正を設計できれば、2 つのビットエラーの符号化モードを確認できます。システムの信頼性を大幅に向上させることができます。

3. RAM と FLASH (ROM) の検出

プログラムをコンパイルするとき、RAM と FLASH (ROM) のデータコードをテストしてエラーがないかどうかを確認するための検出プログラムを作成することをお勧めします。発生したら、すぐに修正する必要があります。修正できない場合は、ユーザーが対処できるようにエラーの指示を出す必要があります。

また、プログラミング時にはプログラムの冗長性を追加することが不可欠です。特定の場所に 3 つ以上の NOP 命令を追加すると、プログラムの再編成を効果的に防ぐことができます。