微控制类家电产品抗扰性措施

微控制类家电产品抗扰性措施引言 随着单片微机在各个领域中的应用越来越广泛，对其可靠性要求也越来越高。单片机系统的可靠性由多种因素决定，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。工业环境有强烈的电磁干扰，因此必须采取抗干扰措施，否则难以稳定、可靠运行。

形成干扰的基本要素有三个：

A）干扰源。指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

B）传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

C）敏感器件。指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。

2 一般而言，电磁干扰的形成是由干扰源产生、通过传播途径、影响到受扰设备。因此，抗干扰的关键在于抑制干扰源、合理设计传播途径、降低受扰设备的敏感度。

抗干扰措施有硬件措施和软件措施。硬件措施如果得当，可将绝大部分干扰拒之门外，但仍然会有少数干扰进入单片机系统，故软件措施作为第二道防线必不可少。由于软件抗干扰措施是以MCU为代价的，如果没有硬件消除绝大多数干扰，MCU将疲于奔命，无暇顾及正常工作，严重影响系统的工作效率和实时性。因此，一个成功的抗干扰系统是由硬件和软件相结合构成的。

3硬件措施和软件措施对于抗干扰而言，硬件措施会涉及到整个系统工作的每个环节，包括干扰源、传播路径、敏感器件，所以没有单独罗列而软件措施主要是针对MCU而言，该部分将在敏感器件——MCU部分详细介绍。4抗扰三部曲

后续的描述主要针对家电类低频产品，高频部分略有提到

抑制干扰源 优化传导路径

提高敏感器件的抗扰能力5抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。

减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

抑制干扰源的常用措施如下：

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A）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

B）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。

C）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。

D）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。

E）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。7提高敏感器件的抗扰能力

单片机系统需要考虑的敏感器件包括2部分； 1）MCU 2）A/D、D/A变换器，数字IC，弱信号放大器等

对于除MCU外的敏感器件：

A）A/D类器件，用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。

B）数字IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源，输入端加RC电路滤波

C）弱信号电路周围不要形成电流环路

MCU做为单片机系统的核心，它的抗扰措施是否到位，对整个系统的稳定运行有很大的关系，下面我们将详细介绍该部分

8对于ELAN的78系列8BITMCU，如下措施可增强抗扰性： 1.1MCU的振荡电路 振荡电路的地单独连到MCU的VSS，且走线越短越粗越好 石英晶体或匹配电容下面不要走线。石英晶体振荡器外壳接地；地线半包或全包振荡电路 IRC的振荡方式，因为振荡的地在MCU内与VSS连接 在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。1.2MCU的电源和地 对MCU的电源和地,尽量单独引线连接

91.3复位电路

MCU复位电路的电源和地单独连到MCU的VDD和VSS，且走线越短越粗越好。 使用外部复位电路的抗扰性比内部RESET好 对抗干扰而言，三极管的复位电路是最保险的，如果用户的电源上电和掉电都满足SPEC的要求，通过测试，发现RC电路的抗扰性也不错1.4回避抗扰性较弱的口 义隆一直在致力于改善MCU的性能，提高MCU的品质，04、05年以来，陆续推出了一系列功规级产品，抗扰实测结果也很理想。但对旧产品EM78X458/9，因为历史的原因，P50/INT很弱，如果用到该口的/INT功能，抗扰性一般达不到要求，因此，建议客户用EM78X417/8代替。如果万一还是要用到EM78X458/9，/INT口要接高电平。104.输入的处理

MCU本身是接受电源系统的供电的，为了最大限度得到干净的电源，建议对MCU单独引线供电。 MCU有很多输入口，但单片机系统中，一般会有市电过0点检测，按键检测，各种senser的ADC检测，无线或红外接收检测、通讯信号检测等

A）干扰较大的输入口：如过0检测，电压直接从市电过来，要并104滤波

B）按键检测口：如果有需要可以对敏感的按键口并滤波电容

C）ADC检测口：外部的输入阻抗小于10K欧姆

D）接收检测口：一般建议用RC电路进行滤波

E）通讯检测口：通讯器件间的距离越短越好，也可以加RC滤波电路，但不要让波形失真

F）对于单片机闲置的输入口，不要悬空，要接地或接电源；或设为输出，给出电平

115输出部分A）输入输出共用口，抗干扰设计都要有顾及输出口的驱动能力保证在SPEC给出的范围内，如下图，串联电阻太小，IO口直接驱动可能会有问题，改为4.7K以上便OK

B）对于驱动大功率器件，输出口采用光电、磁电、继电器隔离，对于关键的高低电平驱动，设置内部上拉或下拉保证系统的安全。

C）在输入和输出通道上采用各种隔离器来进行信息传输是很有好处的，它将单片机系统与各种传感器、开关、执行机构从电气上隔离开来，很大一部分干扰将被阻挡

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MCU增强抗扰性的软件措施

1.对单片机使用电源监控及看门狗电路，为节约成本，建议使能单片机的WDT功能

2.重复输入或输出：

2.1为了确保判断正确，可以对输入口连续多次判断

2.2有时为防止单片机输出信号被干扰，设计者会通过锁存器锁存后传送给驱动电路，但锁存线上出现干扰时，会盲目锁存当前数据，软件上，可以通过重复输出同一个信号来改善。

只要重复周期尽可能短，锁存器接收到一个被干扰的错误信号后还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信号又来到，就可以及时防止错误动作的产生。

133.掉电保护电网瞬间断电或电压突然下降将使微机系统陷入混乱状态，电网电压恢复正常后，微机系统难以恢复正常。对付这一类事故的有效方法就是掉电保护。掉电信号通过硬件电路被软件检测到，马上进行现场保护，保存当时重要的状态参数，当电源恢复正常时，CPU重新复位，恢复现场，继续未完成的工作。4.睡眠抗干扰INSLEEPMODE，MCU对干扰不会作出任何反应，从而大大降低系统对干扰的敏感程度。

5.跳转和设置指令14

A）在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入NOP指令，在某些对系统工作状态至关重要的指令前也可插人NOP指令

B）对重要的标志位进行实时刷新5.在如下位置设置软件陷阱，软件陷阱指向出错处理程序ERR

A）程序区。程序区是由一串串执行指令构成的，在这些指令串之间常有一些断裂点，正常执行的程序到此便不会继续往下执行了，这类指令有JMP、RET等。这时ＰＣ的值应发生正常跳变。如果还要顺次往下执行，必然就出错了我们在这种地方安排陷阱之后，就能有效地捕捉住它，而又不影响正常执行的程序流程

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B）未使用的中断向量区。当干扰使未使用的中断开放，并激活这些中断时，就会进一步引起混乱。如果在这些地方布上陷阱，就能及时捕捉到错误中断

C）未使用的大片ROM空间；每隔一段设置一个陷阱

D）在表格的最后安排软件陷阱16优化传播路径优化传播路径也是增强抗扰性不可忽视的一环 有的用户设计时，在抑制干扰源和增强敏感元件的抗扰性上都有所注意，但单片机系统的抗电磁干扰能力还是一般，那么可能的一个原因就是在通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相互通道时，干扰得到了扩大而不是可能的最小。为了降低传播路径的干扰，以下3点在PCB设计时需要特别注意：

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一、PCB上元器件布局

1.根据频率布局元器件 不同的频率其干扰以及抑制干扰的方法也不相同，可以按下图所示布局元器件：

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2.根据电路性质布局元器件

2.1一般的PCB都是由模拟信号电路部分，高速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）组成，合理的分开它们，使相互间的信号耦合为最小非常关键。有条件的应使之各自隔离或单独做成一块电路板。 下图为我司开发的一个空调控制板，过EFT能到4KV，下边有它的对应电路布置框图，供用户比对参考

192021 2.2在元器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果；每块电路，特别是弱电及数字电路部分，应充分考虑敏感元件，对它们单独供电或串接在电路的末端。3.布局中还应特别注意强、弱信号的器件分布及信号传输方向途径等问题，按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。4.时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路22二．PCB板的地线设计 在控制类电子产品中，PCB的地线与所有的元器件都有关联，因此，合理的设计地线是控制干扰的重要方法 有的用户可能对地线的重要性认识不足：所有的地线都是连在一起的，它们是等电势的，而干扰都是瞬时的脉冲电压，2者会有关系吗？实际上，地线上的电位并不是恒定的。大家知道导线都有电感，电感的感抗为：

XL=ωL=2πfL 直流时，导线的阻值很小（可以忽略），但高频交流时，阻值及对应的压差会相当可观。在实际电路中，造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号，脉冲信号包含丰富的高频成分，因此会在地线上产生较大的电压。对于数字电路而言，电路的工作频率是很高的，因此地线阻抗对数字电路的影响也十分可观的。

23地线的干扰原理，主要有2种：

地环路干扰：由于地线阻抗的存在，当电流流过地线时，就会在地线上产生电压。当电流较大时，这个电压可以很大。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流。这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。 公共阻抗干扰：当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。24地线干扰对策：

1.对于地环路干扰，只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。因此，建议用户使用共模扼流圈、隔离变压器、光隔离器减小或隔离电流。 2.消除公共阻抗耦合 消除公共阻抗耦合的途径有两个： 2.1减小公共地线部分的阻抗 减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。这包括使用扁平导体做地线，用多条相距较远的并联导体作接地线25 2.2通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线 通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地，如图4所示。并联接地的缺点是接地的导线过多。实际Layout中，也没有必要对所有电路都并联单点接地。建议采用串并结合的方式，如图5所示。26 A）对影响大的干扰源，单独拉地线实现并联单点接地 B）对敏感器件，特别是MCU，单独拉地线实现并联单点接地 C）对于相互干扰较少的电路，可以采用串联单点接地。 也可以将电路按照强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等分类，然后在同类电路内部用串联单点接地，不同类型的电路采用并联单点接地。27局部电源和IC间的去耦 元器件需要供电来激活，对于局部电源，一般而言，接线方式建议同相配合地线的接线方式一样。例如，继电器的地单独接地，电源最好也单独引线。 当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声传播。连接着电源输入口与PCB之间的大容量旁路电容起着一个低频骚扰滤波器的作用，同时作为一个电能贮存器以满足突发的功率需求 所以，配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制线路板的可靠性设计的一种常规做法，相关的配置原则为：28A）电源电路的稳压电容取100μF以上的电解电容，局部电源输入端跨接10μF左右的电解电容。B）原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01μF的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每4~8个芯片布置一个1~10μF的钽电容。C）相对而言，器件的输入抗噪能力较弱、输入断并联一个0.01μF的瓷片电容可以有效的增强系统抗扰性。D）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。E）去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算：即10MHz取0.1μF。对微控制器构成的系统，取0.1~0.01μF之间都可以。F）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时．操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ，C取2.2~4.7μF。29家电类产品抗扰度试验包括： 电快速瞬变脉冲群测试 ACNOISE测试 浪涌测试 静电放电测试

30常见三种瞬态干扰的比较

ESDEFTSURGE脉冲上升时间极快，<1ns很快，约50ns慢，

s数量级能量低中等（单个脉冲）高电压（负载阻抗高）15kV以上10kV以下10kV以下电流（负载阻抗低）人体放电为几十A，装置放电可达数百A几十A几千A31一般比较常见的抗扰度测试有EFT和ESD， EFT的干扰是从市电输入端直接进入，通过LAYOUT作用在单片机系统元件上，因此，系统的抗扰性与PCB的设计、软件的设计息息相关。 而ESD是直接对MCU的PIN脚的测试，与MCU本身的抗静电性能有关。当然，ESD对MCU的干扰，主要是通过破坏MCU的内部IO口电路，增加MCU的耗电，因此，通过修改PCB的供电元件参数，提高MCU供电的稳定性，也能提供系统的抗ESD能力。下面给出了几个提高单片机系统的抗EFT的实例和分析，供用户参考。32下面是EM78P156N暖风机板的修改示图，该板没改前过EFT±2.0KV都有问题，改后已达到客户要求能过±3.0KV33改板步骤说明原因说明1拿掉客户reset电路的三极管，电阻和电容，将reset脚与vdd直接相连客户的电源电路为电阻降压，上电和掉电速度都快，不需要用三极管复位电路；reset电源直接从电源电路引入：易引起干扰导致DOWN机，可直接或通过电阻与MCU的VDD连接2把与vdd和振荡器地间的电容CC7=104拿掉振荡器的地很容易受影响引起DOWN机，从振荡器的地最好不要有其他元件3.与振荡地连接的跳线拿掉振荡地通过左半环与vss达到最近连接，但它通过右边的跳线围绕IC的右侧脚形成闭环而引起DOWN机34下面是EM78P257B洗衣机板的修改示图，该板没改前过EFT0.2KV都有问题，改后已达到客户要求能过正负1.8KV35改板步骤说明原因说明1.修改em78p257b、74hc164、cd4069的电源和地1.em78p257b、74hc164、cd4069的电源和地都采用分支电路2.修改em78p257b的程式修改em78p257b的reset和振荡电路1.检查em78p257b的程式，发现P55/OSCIpin内部上拉了，导致em78p257b较难起振且不稳定，故修改程式，disableP55pullhigh2.客户使用内部reset，resetpin悬空，改为外部reset，resetpin通过5.1k电阻连到vdd3.客户的振荡地与vss直接相连4.em78p257b的电源只与reset和振荡电路连接，与其他电路断开3.修改em78p257b的输入电路1.频率检测输入口并1032.按键输入口并1024.修改74hc164的输入修改其他元件的电源或地的走线有灯闪现象，检查发现灯接在74HC164后，在74HC164的SCK、A、BPIN脚并上102后，灯闪情况解决修改其他元件的电