Tłumienie ESD na mikrokontrolerach

Krótki opis

Testy EMC identyfikują potencjalne problemy EMC napotykane w praktyce przez mikrokontrolery. Wyładowania elektrostatyczne są kwestią szczególnie istotną dla układów zawierających mikrokontrolery.

Testy EMC identyfikują potencjalne problemy EMC napotykane w praktyce przez mikrokontrolery. Wyładowania elektrostatyczne są kwestią szczególnie istotną dla układów, które zawierają mikrokontrolery. ESD może być generowane w praktyce na różne sposoby, takie jak elektryczność statyczna, która gromadzi się na osobach lub elektryczność tarcia, która rozwija się na przenośnikach taśmowych, maszynach pakujących, itp. Odporność elektroniki jest testowana metodą zgodnie z normą IEC 61000-4-2 / HMM, zanim urządzenie elektroniczne zostanie użyte w praktyce. Problemy z odpornością EMC najpierw pojawią się w tym teście. Poniższy artykuł opisuje na przykładzie problem z odpornością płytki mikrokontrolera. Problem odporności został zidentyfikowany w teście ESD wykonanym przed praktycznym użyciem płytki. Ponadto, artykuł demonstruje kilka rozwiązań w zakresie tłumienia zakłóceń i hartowania płytki mikrokontrolera. Opisany tu problem związany z oscylatorami kwarcowymi i obwodami PLL mikrokontrolerów jest bardzo powszechny w praktyce niezależnie od typu i producenta mikrokontrolera.

Na płytce z mikrokontrolerem podczas badania EMC metodą testową zgodną z IEC 61000-4-2 / HMM pojawia się problem EMC. Mikrokontroler na płycie ulega awarii (crash) po wyładowaniu generatora ESD na metalową listwę. Metalowa listwa jest częścią obudowy zawierającej płytkę mikrokontrolera. Awaria mikrokontrolera i następujący po niej reset (crash fault) są typowym przebiegiem usterki. Dioda LED na płytce mikrokontrolera, która emituje sygnał migający sterowany przez mikrokontroler (dioda LED "life sign") jest wykorzystywana jako wskaźnik awarii. Sygnał migający jest używany jako znak życia mikrokontrolera. Mikrokontroler ulega już awarii w wyniku pojedynczego wyładowania elektrostatycznego z generatora ESD.

Metalowa rozpórka, do której przyłożono wyładowanie, przylega do mikrokontrolera w obszarze obwodów PLL i oscylatora kwarcowego. Nie udało się wykazać usterki poprzez przyłożenie wyładowania do innej metalowej listwy. Nasuwa to podejrzenie, że ESD zakłóca pracę oscylatora kwarcowego lub obwodu PLL mikrokontrolera (rysunek 1). Prąd ESD generuje wokół metalowej rozpórki wir pola magnetycznego, który wnika w sieci liniowe obwodów oscylatora kwarcowego i PLL. Może to spowodować wystąpienie dwóch różnych usterek.

1. Obwody oscylatora kwarcowego w przypadku wystąpienia zakłóceń zatrzymują się zwykle na kilka 10 µs. W skrajnych przypadkach oscylator kwarcowy może zatrzymać się nawet na milisekundę. W naszym przykładzie zaburzenie jest spowodowane polem magnetycznym, które indukuje napięcie w liniach oscylatora.
2. Zasilanie PLL, czyli Vss PLL i Vdd PLL, jest słabym punktem układu PLL. W przypadku wystąpienia zakłóceń, układ PLL zwykle blokuje się w maksymalnej możliwej częstotliwości PLL. Jest ona wyższa od dopuszczalnej częstotliwości pracy mikrokontrolera i powoduje jego awarię.

Rysunek 1: Zakłócenia w pracy mikrokontrolera spowodowane polem magnetycznym wynikającym z aplikacji ESD.

Awaria mikrokontrolera jest wizualizowana poprzez zgaszenie diody LED sygnalizującej życie. Zakłócenia w obwodzie oscylatora kwarcowego powodują zwykle zatrzymanie mikrokontrolera na zaledwie kilka 10 µs. W wyjątkowych przypadkach mikrokontroler może również zatrzymać się na kilka milisekund (błąd oscylatora kryształkowego). Konsekwencją tej usterki jest uszkodzenie wszystkich czasowo-synchronicznych sekwencji sygnałów mikrokontrolera, a w szczególności systemów transmisji danych, sieci USB lub LAN. Usterka ta dotyczy również prostych układów UART. Z powodu zatrzymania mikrokontrolera nie są przesyłane poszczególne bity danych. Tego typu usterki są usuwane przez procedury korekcyjne z USB lub LAN. Transmisja danych jest spowolniona z powodu uporczywej korekty usterki / powtórzenia z częstymi zakłóceniami. Łącze systemu transmisji może zostać przerwane przez silne zakłócenia. W przykładzie (rysunek 1) do konwertera UART na mikrokontrolerze podłączone jest USB. Zatrzymanie mikrokontrolera spowodowane zakłóceniami oscylatora kwarcowego doprowadzi do zakłóceń pracy systemu UART, które z kolei mogą być przesłane do komputera PC i zwizualizowane. Umożliwia to analizę skutków spowodowanych przez błędy oscylatora kwarcowego. Te błędy danych mogłyby być pokazane na komputerze PC podczas testu ESD płytki mikrokontrolera. Oznacza to, że oscylator kwarcowy mikrokontrolera zatrzymuje się prawdopodobnie na kilka 100 µs po przyłożeniu ESD. Odpowiednie rejestry błędów mogą być odczytane w mikrokontrolerze, jeśli dostępny jest odpowiedni sprzęt, firmware i oprogramowanie. Dane te mogą być zbadane w celu ustalenia, czy wystąpiły usterki oscylatora kwarcowego lub PLL. Jeśli tak, to potwierdzają się wstępne rozważania na temat przyczyny usterki (usterka oscylatora kwarcowego i PLL). W każdym przypadku, nawet jeśli nie można odczytać rejestrów błędów, należy zbadać płytę mikrokontrolera.

Analiza usterek

Na płycie mikrokontrolera należy przeprowadzić odpowiednią, specyficzną analizę błędów, aby potwierdzić wstępne podejrzenie zakłóceń w oscylatorze kwarcowym i PLL. Odpowiednim narzędziem do takiej analizy są źródła pola, które generują lokalne pola o wymaganym natężeniu. Te lokalne pola muszą odpowiadać polom występującym pod wpływem ESD w praktycznym zastosowaniu. W tym przykładzie zastosowano źródło pola generujące wiązkę pola o średnicy ok. 4 mm. Czas narastania impulsu, który jest emitowany przez źródło pola wynosi 1 ns, czyli jest zbliżony do rzeczywistego zdarzenia ESD. Źródło pola musi być w stanie wywołać w pętlach przewodników napięcie impulsowe do 20 V (rysunek 2).

Rysunek 2: Źródło pola indukuje napięcie zakłócające w pętli przewodnika układu scalonego poprzez impuls pola magnetycznego. Źródło pola umożliwia wybór pojedynczego impulsu lub sekwencji impulsów.

Źródło pola jest bardzo małe i elastyczne i jest prowadzone przez mikrokontroler za pomocą ręki. Pole magnetyczne jest niniejszym sprzężone z podłączonymi sieciami i pinami, a także z obudową mikrokontrolera. W pierwszym etapie analizy badane są wszystkie piny, sieci liniowe i obszary obudowy. W ten sposób wyklucza się występowanie wzorca usterki w innych obszarach funkcjonalnych mikrokontrolera. W kolejnym kroku analizy źródło pola zostaje przesunięte w kierunku oscylatora kwarcowego i obwodów PLL. Powoduje to natychmiastowe wystąpienie awarii przy bardzo niskich poziomach głośności (rysunek 4). Awaria i usterki oscylatora krystalicznego są zwykle wyzwalane stochastycznie, gdy źródło pola jest kierowane w stronę linii. Bliższa analiza wykazała, że awaria i usterki oscylatora wystąpiły, gdy źródło pola zostało zbliżone do obwodu oscylatora kwarcowego. Jedynie usterka awarii wystąpiła po zbliżeniu do obwodu PLL. Potwierdza to początkowe podejrzenia o zakłócenie przez pole magnetyczne, które jest generowane podczas ESD. Wrażliwe sieci liniowe i piny mogą zostać namierzone, jeśli źródło pola zostanie poprowadzone z dużą wprawą techniczną.

Rysunek 3: Zastosowanie ESD do sieci PLL i oscylatora kwarcowego mikrokontrolera.

W celu zademonstrowania związków przyczynowo-skutkowych usterek w przykładzie, metalowa rozpórka została przecięta i prąd ESD przyłożony w obszarze rozpórki na spodzie płytki mikrokontrolera. Generator ESD musi być trzymany poziomo, aby przyłożyć prąd ESD do rozpórki, aby pole magnetyczne, które otacza końcówkę generatora, nie zakłóciło pracy mikrokontrolera. Na górnej części płytki mikrokontrolera nie powstaje pole magnetyczne. Zależność tę potwierdza więc badanie generatorem ESD.

Cięcie metalowych elementów nie jest w praktyce rozwiązaniem możliwym do zrealizowania. Potwierdza ono jedynie początkowe podejrzenia. Twórca nie może usunąć błędów stwierdzonych w teście (sieć linii, uziemienie, dodatkowe elementy filtrujące), ponieważ słaby punkt znajduje się w samym mikrokontrolerze. Mikrokontroler ze swoimi pinami tworzy największe pętle, które zajmują pole magnetyczne. Jeśli zły układ powoduje, że na płytce istnieją jeszcze większe pętle, to jej odporność EMC można zwiększyć poprzez poprawę układu. Usterki mogą wystąpić również wtedy, gdy układ masy pod oscylatorem PLL i kwarcowym nie jest ciągły. Pole magnetyczne może wnikać w linie PLL i oscylatora kwarcowego przez szczeliny w systemie uziemienia. W naszym przykładzie tak się jednak nie dzieje. Można wykazać, że przyczyną w tym przypadku był prąd zakłócający płynący przez metalową rozpórkę i powstałe w ten sposób pole magnetyczne oraz pętle indukcyjne utworzone przez styki układu scalonego.

Środki EMC służące do rozwiązywania problemów

Dla pola praktycznego można wyprowadzić następujące możliwe rozwiązania.

Przeniesienie układu scalonego na płycie mikrokontrolera w celu zwiększenia odległości obwodów PLL i oscylatora kryształowego od metalowej rozpórki.

1. Modyfikacja konstrukcji mechanicznej poprzez przeniesienie metalowej rozpórki w obszar niekrytyczny.
2. Zastosowanie rozpórki wykonanej z materiału nieprzewodzącego (rozpórka z tworzywa sztucznego).
3. Obudowa z tworzywa sztucznego jest tak ukształtowana, że metalowa rozpórka nie jest już dostępna dla końcówki generatora ESD.
4. Ekranowanie odpowiednich układów scalonych.
5. Zastosowanie odpowiednio wytrzymałego układu scalonego.

Zalecamy, aby efekt podjętych działań EMC został zweryfikowany na próbce testowej. Należy unikać natychmiastowego i całkowicie nowego projektu graficznego płytki mikrokontrolera. Zamiast tego należy zmodyfikować istniejącą płytkę, aby można było ocenić efekt wyżej wymienionych środków.

Części strukturalne mogą wpływać na oscylator kwarcowy i obwody PLL mikrokontrolera w praktycznym użyciu.

• Obudowy urządzeń mogą w praktyce zawierać metalowe rozpórki. Opisane tu usterki mogą wystąpić pod wpływem ESD na obudowie, jeśli taka metalowa rozpórka jest ułożona w sąsiedztwie obszaru oscylatora kwarcowego i PLL mikrokontrolera.
• Złącze RJ45 stosowane do połączeń LAN, które znajduje się na płycie mikrokontrolera, może doprowadzać prąd ESD do płyty mikrokontrolera. Wytworzone w ten sposób pole magnetyczne może spowodować analogiczną do przykładu awarię oscylatora kwarcowego mikrokontrolera lub układu PLL. Metaliczna izolacja systemu LAN nie będzie w tym przypadku pomocna, gdyż pole magnetyczne może dostać się do mikrokontrolera przez dystans izolujący.
• Wszelkie inne złącza takie jak USB, złącza board-to-board mogą powodować te usterki.
• Śruby lub tuleje mogą być prowadzone przez płytkę mikrokontrolera.
• Do płytki mikrokontrolera mogą być przymocowane kątowniki.

Programista musi mieć doświadczenie w zakresie EMC i praktyczne umiejętności w zakresie wykorzystania źródeł polowych do tłumienia zakłóceń, eliminowania usterek i skutecznego hartowania modułów. Przydatna jest również solidna wiedza na temat związków przyczynowo-skutkowych EMC. Uczestnictwo w specjalnym seminarium eksperymentalnym EMC jest opłacalne, jeśli problemy EMV muszą być często rozwiązywane. Ponadto w szczególnie trudnych sytuacjach można poprosić o pomoc doświadczonego konsultanta EMC, który szybko i sprawnie znajdzie przyczynę usterek.