03.04 單片機供電電源有干擾紋波,如何濾除?

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想濾除單片機供電電源中的紋波干擾,首先要搞清楚這個紋波來自於哪裡?若是單片機所用的供電電源穩定性差,電源中含有大量的交流紋波,此時可以將單片機的供電電源經AMS1117這類低壓差穩壓IC穩壓後再給單片機供電。



電路如上圖所示。單片機的供電電壓經AMS1117穩壓後,輸出電壓中的紋波成分將大大減小。電容C8和C9為高頻濾波電容,用以濾除混雜在電源中的高頻紋波成分。這裡的AMS1117是一款低壓差穩壓IC,在小電流下其壓差只有0.7V,該IC的輸出電壓分為固定版和可調版兩種。固定版的輸出電壓有1.8V、3.3V及5V等,可以根據需要選用。

若單片機與振盪電路、電機驅動電路等易產生干擾的電路共用一組電源,為了濾除這些電路產生的干擾,最好在供電電源中加一級LC濾波電路,將振盪電路和驅動電路接在濾波電路的輸出端(即圖中RL的位置),這樣振盪電路產生的干擾即可被LC電路濾除。此外,若PCB板上的單片機供電端是通過較長的銅箔與供電電源連接,此時應在單片機的正負電源引腳處焊接一個0.1~0.33μF的獨石電容或瓷片電容,以濾除雜波。


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從原理出發,一步一步來分析供電電源有干擾紋波的問題。

單片機的供電電源來自哪裡?如果是從自己設計的由220V交流經變壓器、穩壓電路得來的電源,那麼此時供電電源有紋波,說明供電電源電路本身可能存在問題。先把供電電源單獨用示波器觀察,觀察紋波的大小。如果紋波符合你的要求,說明供電電源電路不是紋波的主要來源。所以,供電電源不是產生干擾紋波的主要因素,主要因素肯定來自其他電路部分。


首先,形成干擾的基本三要素:

1、干擾源:干擾的來源,產生干擾的元件、設備或者信號。主要是繼電器、電動機、變壓器、高頻時鐘等。

2、傳播路徑:干擾源到受干擾對象之間的路徑。傳播路徑一般是導線和空間上的磁場輻射。

3、易受干擾的對象:被幹擾源干擾的對象。主要是單片機、儀表放大器、高精度的AD/DA轉換器等。


如果單片機是自己設計並打樣出來的PCB板,那麼供電電源出現紋波的因素就有多種。在設計單片機原理電路時,應該儘量減少電路迴環,電源線要儘量粗,去除尖端銅皮。產生電源紋波最主要的原因就是在單片機的VCC管腳,沒有加去耦電容。什麼是去耦電容?

上圖所示的電容C6、C5就是去耦電容!去耦電容是單片機和其他芯片供電電源部分必不可少的一部分。去耦電容的作用主要是穩定供電電源、減小干擾、濾除雜波。去耦電容的原理和取值相關問題可以在我頭條主頁的文章中找到。

產生紋波的其他原因及其解決方法:單片機與繼電器、電動機、變壓器、高頻時鐘等相隔太近。這些器件對單片機的供電電源部分產生了電磁輻射。解決方法:在單片機和這些器件之間加隔離電路,如加磁珠、濾波電路等。


電路解析式


單片機電源均為直流電源,且常見MCU供電電壓為5V、3.3V、1.8V等。所以此問題可以看作是低壓直流電源的紋波如何濾除的問題。

首先我們要先明確一個問題:電壓紋波從哪裡來?

直流電壓很多時候由交流電壓經整流、濾波、穩壓後得到。由於濾波不乾淨,直流電壓中仍然會含有少許交流成分,這就產生了紋波。以各類電池作為電源時也會因負載的波動而產生紋波。即使使用最好的基準電壓源器件,輸出電壓也難免會有紋波。

而在硬件設計過程中,為了滿足產品需要,在單板上往往會有多種電壓,也需要使用各種類型的電源芯片來實現預定的電源拓撲,如DC-DC,傳統線性穩壓器,低壓差線性穩壓器(LDO)等等,其中DC-DC包括Buck、Boost、Buck-Boost三種類型。按照常見程度,這裡我介紹一下開關電源(Buck電路)及線性穩壓器(LDO)的紋波濾波處理方法。

一、對於Buck電路,可以採取如下措施進行濾除:

1、在輸出端加輸出電容濾波

一般以低頻噪聲取大電容,高頻噪聲取小電容為原則。詳細方法在下方LDO濾波中有介紹,DC-DC與此同理,但一般需要鋁電解電容等大容量電容進行濾波。

2,並聯一個肖特基二極管濾除開關紋波

  無論是同步整流型還是非同步整流型Buck,在mos管開關過程中,都會產生開關尖峰,此處的尖峰可以看作是高頻紋波,一般情況下,在同步型Buck的mosfet下管處並聯一個肖特基二極管可以有效減小開關尖峰,具體原理與buck電路的體二極管及死區時間有關,此處不再展開分析。

3,對減小紋波。開關電源的PCB 佈線也非常關鍵,以TI公司的LM2596為例,在其Datasheet中可以找到其佈局示例如下圖所示,良好的電源層分割及銅皮鋪設是減小紋波的有效方法。


二、對LDO來說,主要靠放置濾波電容來抑制紋波

這裡首先要了解電容濾波的機制——為噪聲提供一條低阻抗迴路。對於電容而言,其等效模型並非完全的電容,而是由電容,ESL,ESR來組成。由於電容分量的存在,其阻抗隨頻率升高而降低;ESL分量則使得阻抗隨頻率升高而增加。從整體上看,有下圖所示的規律:

所以諧振點處阻抗最小,因此其頻率代表該電容最能夠濾除紋波的頻率,濾波效果最好。實際設計中紋波往往不只有一個頻點,而是一條頻帶,這就意味著我們需要並聯多個容值不同的電容儘可能地覆蓋紋波頻帶,這也就是很多剛入門的電子愛好者喜歡在輸出電壓處並上0.1uF和10uF兩個電容的原因了,這樣的選擇在一定程度上可以實現濾除紋波電壓的效果,但如果涉及到高速電路或者精度較高的電壓源設計,就需要進行一番詳細計算才能確定電容取值了。


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單片機供電電源出現干擾紋波,消除的方法如下:

1、在交流電源端加裝交流電源濾波器。

2、直流電源加設LC濾波電路。

3、在直流電源輸出端加大濾波電容,消除電路的自激干擾。

4、用金屬屏蔽層封裝電源單元電路並可靠的接地。



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