Программирование с учетом выбросов - Emission-aware programming

Программирование с учетом выбросов это философия дизайна стремясь уменьшить количество электромагнитное излучение испускается электронные устройства благодаря правильному дизайну программного обеспечения выполняется устройством, а не изменяет оборудование.

Источники выбросов

Соображения по излучению требуют оценки многих деталей, таких как тактовые частоты и скорости переключения, которые связаны с генератором. Время нарастания / спада и гармоники сигнала связаны с выходным драйвером. Скорость передачи данных может зависеть от оборудования или может контролироваться программным обеспечением и часто должна соответствовать определенному протоколу. Импедансы, нагрузка трассировки и различные компоненты схемы связаны с аппаратным обеспечением и должны учитываться с самого начала проектирования.

Можно определить три основных действия по сокращению выбросов:

  • Избежание ненужного радиочастотного шума.
Только это действие может применяться к программному контролю выбросов. Уменьшение, например, частоты переключения или количества цепей переключения снижает потребление энергии и, следовательно, выбросы. Например, это может быть работа при низком напряжении или использование режимов снижения мощности.
  • Сохранение радиочастотной энергии изолированной от антенных конструкций.
Радиочастотная энергия не является проблемой, если структуры, работающие с ней, слишком малы[nb 1] для работы в качестве эффективных антенн. Разделительный конденсатор удерживает большую часть ВЧ-энергии локально в небольшом контуре между устройством и конденсатором, как показано на рисунке.
Изоляция высокочастотной энергии путем правильного размещения развязывающего конденсатора.
  • Преобразование радиочастотной энергии в тепло.
Для этой цели можно использовать любой импеданс, образованный катушками, конденсаторами, резисторами, ферритами и т. Д.

Далее будут описаны все компоненты, на которые может повлиять конструкция программного обеспечения.

Осциллятор

Микроконтроллерам требуется источник тактовой частоты для переключения внутренних транзисторов. Почти для всех контроллеров требуется внешний кварцевый или керамический резонатор. Поскольку керамический резонатор потенциально чувствителен к выбросам, которые могут сократить периоды тактовой частоты, как правило, Осциллятор Пирса конфигурация используется. Гармонические частоты часов вызывают нежелательные излучения.

Внутренняя схема MC в упрощенном виде представляет собой логический элемент И-НЕ, за которым следует инвертор. Внешний генератор - не единственный источник излучения. Цепи системных часов состоят из внутреннего радиочастотного делителя, за которым следуют большие усилители. Эти усилители пропускают длинные линии внутри компонентов и могут вызывать помехи.

Следует предпочесть использование внутренних генераторов вместо внешних. (Дополнительной аппаратной мерой является использование генераторы с расширенным спектром.)

Источник питания

Напряженность поля пропорциональна току, поэтому источник питания, обеспечивающий ток для всей системы, является сильным источником излучения. С физической точки зрения снижение энергопотребления системы и минимизация контуров (за счет использования возможностей развязки), излучающих шум, улучшает характеристики EME. Программным решением является временное отключение периферийных устройств, когда они не нужны, и, таким образом, уменьшение ненужное энергопотребление.

Контакты ввода / вывода

Если MC использует пространство внешней памяти или периферийные устройства, подразумеваются непрерывные переходы на нескольких линиях шины данных / адреса. Излучение зависит от частоты переходов, их количества, времени нарастания / спада и продолжительности. На количество переходов трафика порта можно повлиять за счет использования прерываний вместо непрерывного опроса портов. Использование прерываний также основано на программном обеспечении.

Для контактов IRQ или сброса (входных контактов) согласование более важно, чем для обычных портов ввода / вывода. Если шум приводит к неправильному срабатыванию этих двух выводов, это отрицательно повлияет на поведение схемы. Часто наблюдается высокое потребление тока, особенно в устройствах CMOS, когда входные контакты не соединены из-за тока утечки внутри ИС. Таким образом, оконечная нагрузка на входные контакты с высоким импедансом может привести к уменьшению тока питания и, следовательно, к уменьшению излучения. В большинстве MC можно использовать внутренние подтягивающие резисторы для установки неиспользуемых контактов на определенный уровень напряжения.

Звон

Для достижения максимально возможных скоростей передачи применяются самые быстрые из возможных скоростей переключения. Чем выше скорость переключения, тем выше вероятность перерегулирования или занижения (звонка). Звон выходного сигнала в основном вызван паразитными элементами выходной структуры, например. емкостные компоненты, такие как паразитные емкости и емкости нагрузки, а также паразитные индуктивности, создаваемые соединительным проводом и выводной рамой.

Описаны четыре метода уменьшения звона:

  • Цифровое управление
  • Увеличение сопротивления во включенном состоянии
  • Контроль обратной связи
  • Перекос переключения выходного драйвера

Отскок от земли

Скачок заземления - это скачок напряжения, вызванный одновременным переключением нескольких выходов из одного логического состояния в другое, например, с высокого на низкий. Напряжения построен по паразитной индуктивности связи IC заземления возврата вызывает временное смещение потенциального напряжения в опорном потенциале земли по отношению к системе заземления. Отскок заземления вызывается током лома CMOS и динамическими коммутирующими токами емкостных нагрузок.

Время подъема и падения

Одним из способов снижения выбросов системы MC является увеличение времени нарастания и спада (регулировка скорости нарастания ). Некоторые контроллеры, такие как Motorola HCS08, предлагают функцию выходных буферов с программным управлением скоростью нарастания, что позволяет пользователю увеличивать время нарастания с 3 до 30 нс для каждого вывода отдельно.

Некоторые микроконтроллеры предлагают ограничение тока, способ ограничения максимального тока выходного порта (например, Motorola MCS12).

Контроль выбросов: энергосбережение

Наиболее эффективный способ снижения выбросов - это временное отключение неиспользуемых модулей в МК, что позволяет экономить электроэнергию. Большинство контроллеров поддерживают несколько режимы сна.

Вывод

Чтобы уменьшить электромагнитное излучение на программной основе, следует рассмотреть следующие меры:

  • Осциллятор (вид и частота)
  • Питание (режимы экономии, низковольтная работа и питание)
  • Частота переключения порта ввода / вывода и мощность (если возможно: контроль скорости нарастания и перекоса)

Большинство программно реализованных улучшений эмиссии можно обнаружить только с помощью детектора средних значений.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ В радиотехнике единицей измерения является длина волны λ. Геометрические размеры принимаются кратными длине волны. Геометрическое расстояние d между двумя точками количественно оцениваются в d/ λ. Таким образом, такие термины, как малый или большой, всегда связаны с длиной волны. Электромагнитно большие конструкции соответствуют d > = 1 и маленький до d <0,1 или d = λ / 10. Диапазон между электромагнитно малым и большим - это диапазон резонансных частот.

Рекомендации