MCU电磁干扰失效分析与软硬件解决方法_温禄泉.pdf

年第期 电磁干扰失效分析与软硬件解决方法温禄泉（珠海极海半导体有限公司，珠海 ）摘要：介绍了一个在电磁干扰下的 失效案例，通过展示一步步的调试分析以及完成多个对比论证实验，在最终寻求到多种解决方案的同时，也深入体验到不同厂家芯片间的差距。文中对 等待周期的影响进行了探讨与论述，由于各厂家在其用户手册都未对此做过多的原理与作用上的阐述，很多用户一知半解、生搬硬套，然而这个概念在各种干扰场景下的理解与使用却有着非常重要的作用。关键词：；等待周期；电磁干扰中图分类号：文献标识码：（，）：，：；引言 芯片流行已久，因其性价比高、品种齐全、稳定可靠、基础库与软件生态支持完备，以及公司对教育宣传的持续投入，已成为当前各大企业与研究院校搭建产品、搭建设备系统控制芯片的理想选择。近年在国产芯片振兴的大势下，国内对标 位 系列 的产品接踵登场。由于性价比更高，国内企业也在渐渐接受和转用国产 ，但因国内厂商的技术基础与能力沉淀各有深浅，芯片产品在一些极端场景下在性能、可靠性方面还是显露出与国外大厂间的差距。本文 中 的 案 例 因 选 用 了 国 内 某 厂 家 新 推 出 的 （为保密描述，下同）搭建电源控制系统，然后遇到了瞬态脉冲群干扰下的死机失效。案例系统结构与工作原理图是以 为主控芯片构建的交流电源通断控制系统。图交流电源通断控制系统框图图中 转 模块输入为 交流电，输出为 直 流，电 压 通 过 后 输 出 直 流 给 及其他芯片供电。继电器的输出端控制交流电线通断，控制交流接触器的输入端电源通断，单片机使用外部 晶振，其主频为 ，所以交流接触器控制触点接入的 交流电受单片机与继电器控制。失效现象为搭建好的硬件系统烧入 控制程序后，整机启敬请登录网站在线投稿（）年第期 动与响应正常，但在 通过继电器控制交流接触器进行动作（如断开）时，死机。在 引脚上 做 外 部 硬 件 复 位 或 整 机 断 电 重 启，才 能 使 重新正常工作。交流接触器断开时可能产生了干扰，造成 死机。交流接触器输入端为感性线圈，前级继电器控制线圈电流的通断。当线圈电流输入电路被切断时（交流接触器断开），电感线圈为维持电流不变，产生瞬态反向感生电压势力，因没有放电通路（系统中没有并接任何抑制元件），反势力电压形成高频干扰脉冲群，图是在 供电引脚上采集到的波形。图芯片供电引脚上的脉冲群干扰 电源上的反向感生电压，可以达到 和之多。通过示波器多方面测试对比可知，交流接触器开合时产生的高电压、高频率干扰波会同时引起传导干扰和辐射干扰。受辐射影响，示波器上捕捉的波形也不完全真实。测量脉冲群的频率如图所示，放大后测量发现是 级快速脉冲群，但相同条件下换用 和 芯片工作就不会死机。图测量脉冲群的频率 失效分析过程继续做了一些调试分析，现象如下：交流接触器断开时，有时还影响到附近 电脑显示屏的闪烁，可见交流接触器的干扰比较大。试过将交流接触器完全与主板分离，即不使用断电器来控制交流接触器，而是对交流接触器进行手工通断电控制，一样会在主板上产生相同程度的干扰，造成 死机。在交流接触器输入线圈两侧并接 吸收电路或并接一个压敏电阻，都能有效抑制交流接触器动作时产生的干扰，实测 可以稳定运行，不再死机。此时用示波器监控 的电源引脚，干扰明显被抑制了，的电源干净多了。更换性能更好的 转 电源模块，也可以稳定运行，不再死机，此时用示波器监控 电源引脚，电源也明显干净了。从以上调试中可以确认，是受到电磁干扰而失效的。从源头抑制干扰或在电源上做干扰衰减都可以降低对 的干扰强度，不再死机。下面还原失效系统，继续深入追踪是 内的哪些关键模块在干扰下失效，是哪条关键路径传导了干扰信号进入，最终造成整个 死机。简化程序，使测试程序每对交流接触器进行开或合一次，观察 是否停止闪烁（没有使用看门狗）。有以下个现象：使用外部晶振 ，换晶振或换晶振引脚上的负载电容，或设置 将主频降到 和，干扰时仍发生死机。改用内部晶振 ，主频通过 配置到 ，实测未再发生死机现象。由上面实验可知，使用内部时钟作为时钟源，可以使 在干扰时仍稳定运行，使用外部时钟则会失效。问题指向 的 晶振引脚路径，可以用示波器追踪 的原始输入与整形输出。于是在 模式用信号发生器向 输入 正弦波并观察（图中黄色部分），并使用 功能观察 时 钟（图中绿色部分）。图观察 的输入与输出波形 年第期 图中间杂乱部分为交流接触器断开时段。可见在干扰脉冲群发生时，输入与输出波形都受到了严重干扰。干扰时，时钟信号上叠加了快速振荡的干扰脉冲群，相当于在干扰期间，时钟频率骤然加快了很多。如此频率高、振幅大的干扰波通过 时钟系统传导到 内部，必然会对芯片内部的模拟和数字电路产生冲击。高频波形叠加在正常的外部时钟源信号上并进入内部时钟电路，也会被 倍频吗？如果被倍频了，是最终造成了单片机内的哪个或哪些 失效了？为了确认以上疑问，设计了以下模拟实验：将 输入设置为 模式，悬空，输入正弦波，振幅为，占空比为；启 用 倍 频，测 试 开 始 时 输 入 为，实验过程中频率从到 手动调节上升；驱动 闪烁指示 是否死机，示波器监控 输出主频，等待周期固定为；等厂商竞品也参与实验对比。测试结果如表所列。表各芯片测试结果芯片型号 等待周期主频（）死机死机死机死机死机死机死机死机死机死机实验结果可证明：在 工作时，手动提高 输入频率来提高主频，主频高到一定程度，会发生死机，但 仍能正常输出主频；死机后再降主频，也不会恢复运行，除非手动复位 引脚或重新供电；在相同 等待周期下，公司芯片能支持高主频的极限明显优胜于 芯片很多，因此推测同等条件下，芯片理论上会比 芯片抗干扰能力强。在 的用户手册中，介绍过 等待周期体现的是系统时钟（）频率与 闪存访问时间的匹配关系，如图所示。图芯片手册中等待周期的使用指导除此之外，用户手册中没有更多的阐述。可以通过对同一芯片配置不同的 等待周期来观察 的运行表现以加深理解。运行结果如表所列。表对同一芯片配置不同 等待周期，运行结果芯片型号 等待周期主频（）死机死机死机死机死机死机死机死机可见，将 等待周期提高到或更大，单片机就不容易死机了。回到原来失效的系统中实测，将 等待周期设置到或以上，在交流接触器断开干扰下，确 实 不 再 死 机。但 要 注 意 的 是，等待周期值（）设得过高，会加大读取 指令和数据的等待周期，最终影响代码执行速度。继续研究一下 和 这两个公司的芯片性能，结果如表所列。可以看出 的存储技术确实有优势（老本行），性能比 的还高。但从实测来看，芯片性能比其用户手册敬请登录网站在线投稿（）年第期 表 和 公司芯片运行结果芯片型号 等待周期主频（）死机死机死机死机死机死机死机死机死机死机死机 中建议的选用范围宽得多，说明 的手册写得比较保守或是 考虑到要保证芯片能在各种极端用户场景下稳定运行，所以留出很大的指引裕量。深入一些推测，应该是各个厂商的 读取速度有差异，所以相同的高主频作为 的输入时钟信号，各个厂商的 的支持能力不完全相同。可以简单理解为，对同一个芯片来说，等待周期设置高了，相当于 的时钟输入端做了时钟分频（或在某些阶段做了更多时钟周期的等待），从而降低对外部快速干扰时钟的敏感性。解决方案针对整个案件的解决方法有多种，分为软件与硬件手段。硬件手段有：在交流接触器上并接 吸收电路或压敏电阻，从源头抑制干扰产生。优化 转 电源模块或更换电源模块，衰减交流接触器从 上传导的干扰脉冲群强度。优化电路板尤其是地的布线，因为在相同场景下并联另一种电路板并没有发生相同死机现象。软件手段有：不用 外部时钟源，改用 内部时钟源，防止干扰信号从 引脚传导到内部时钟系统中。如果使用 ，可将 等待周期设大，但要注意代码执行速度会有所下降。结语虽然国产替代 呈雨后春笋的发展状态，但其性能与可靠性也良莠不齐，与国外大厂芯片仍有一定差距，毕竟那些国外大厂是有几十年甚至上百年的技术积累与沉淀，以及经过全球用户长年的使用验证的。国内企业还需认清现实，任重而道远。以往只有进口大厂芯片，使用上基本上已不存在芯片本身的问题；而现在国产芯片争先上市，不过技术水平不一，在市场上受考验的时间也不够长。而这也无形中给嵌入式工程师提出了更多的考题，不得不深入思考芯片内部的运作机理，不得不探索更多的软件、硬件解决方法。深层来看，嵌入式工程师在这一波国产替代的浪潮中，也会受益匪浅。同时，这也是嵌入式工程师在芯片国产替代过程中应尽的责任，因为芯片设计与芯片应用无论怎么看，都是相辅相成的。参考文献杨 余 柳，张 叶 茂，伦 砚 波，等 基 于 的 微控制 器 实 战 教 程 北 京：电 子 工 业 出 版 社，：沈红卫，任沙浦，朱敏杰，等 单片机应用与案例实践北京：电子工业出版社，：帕特里克 安德烈 产品设计的电磁兼容故障排除技术 崔强，译 北京：机械工业出版社，：虞志益，曾晓洋，魏少军微处理器设计：架构、电路及实现 北京：科学出版社，：海涛 系列单片机原理及应用 北京：机械工业出版社，：董磊，赵志刚 开发标准教程 北京：电子工业出版社，：谭浩强 语言程序设计北京：清华大学出版社，：杨显清，杨德强电磁兼容原理与技术北京：电子工业出版社，：蔡杏山 模拟电路和数字电路自学手册 北京：人民邮电出版社，：温禄泉（电子工程师），主要研究方向为单片机应用、芯片应用失效分析。通信作者：温禄泉，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）