MCU抗干扰能力有多强，3万伏能扛住吗？

Posted 2023-01-17 strongerHuang

关注+星标公众号，不错过精彩内容

作者 | 李工

来源 | MCU研究实验室

MCU的抗干扰能力直接影响其应用场合，比如在一些工厂，特别是有大型机电设备的地方，干扰非常强，如果使用的MCU抗干扰能力不行，就会导致其产品无法正常工作。

很多MCU都有做EMC认证，但实际表现一般，下面就使用电警棍（模拟3万伏高压）来制造强干扰环境，对比一些MCU的抗干扰能力：

首先，我们通过定量分析来解读一下这类实验的逻辑和依据。

一般情况下MCU的工作环境都是正常的，但是一款合格的产品必须要在出厂前经过严格的环境测试和抗干扰测试，因为要保证产品在一些相对不利的环境及苛刻的条件下可以正常工作，毕竟工业环境是非常复杂的，比如控制电焊机的现场、直接与市电连接的热地环境等等。

在技术圈内一直有一些传闻，比如因为国内环境比较复杂，而且很多在网运行的电器都没有经过认证导致市电网络干扰较大的，还有说欧美系芯片在国内有水土不服的等等。无论怎样，就MCU的使用来看，安全的设计和更强的抗干扰能力是亘古不变的真理。

通过视频可以看到实验是通过电警棍隔着一块透明玻璃/亚克力板材料对包括武汉芯源CW32在内的6台正在运行中的MCU芯片近距离放电，这个干扰方式是通过辐射进行干扰，因此属于辐射干扰的范畴，根据电流的直接导通与否，划定辐射干扰和传导干扰两个范畴。

其次，辐射干扰的作用机理是什么呢？辐射干扰既然没有那么强的破坏力，为什么依然有大批MCU没有通过测试呢？这时就要说说MCU电路的弱点了。

MCU电路的基本原理，是从内置的存储器中读取程序，并在内部的计算单元中解读程序，最后按照程序的内容执行任务。

在这个过程中，MCU需要记忆程序执行的各种状态和结果，如果遇到强烈的干扰导致MCU电路丢失或者记错，那么MCU的整个运行过程就会被打断，这同时也能证明MCU的抗干扰能力，而且一些MCU还具备补救保护功能，比如在发现出错后将MCU自动复位，以便重头执行程序等。

为了实现更好的抗干扰性能，相比于被干扰中断后的补救保护措施相比，MCU的主动防御的优势则会更明显，这就相当于汽车的主被动安全措施一样，主动安全措施直接能避免事故，显然是更高级的处理方式。

就拿武汉芯源CW32来说，其采用ARM Cortex-M0+内核，主频为48MHz~64MHz，工作电压为1.65V-5.5V，并且可以在-40℃下正常工作。

而其MCU通过一系列主动防御方法从而提高其抗干扰能力，使得不会很容易被外部干扰改变到内部记忆，这里又通过三种方式实现：

首先，针对辐射干扰能量的特性，应该尽量减少干扰能量的引入。也就是说电路设计这块需要遵循环路最小原则，尽量在各个维度实现最小的环路面积和接收增益。因为辐射干扰的能量引入途径，归根结底还是电磁感应。如果MCU没有外围电路或者被关在一个铁笼子（法拉第笼）里，外面的干扰是很难辐射进去的。

其次，增加外围电路防护直接将干扰能量隔绝并泄放在核心电路外围。比如说MCU为了控制一个负载不得不引出一根长线对外，那通过这根长线接收到干扰能量不可避免了，只能在MCU的外围增加一些保护器件或者人为构筑一些对能量泄放通道，让干扰能量不易于被传导到MCU内部的核心敏感区域。

最后，针对MCU内部设计做相应改造。MCU内部设计也是像一个城市一样，有城门、有道路、有码头有管理机构。如果MCU在设计的时候就特别注意外来干扰能量的引导和防护，那也能够很好地避免和化解干扰问题。

所以要提高基于MCU的整个系统的抗干扰性能是有诸多路径可寻的，其中MCU内部的功夫则主要靠MCU设计者的努力。

这里，我们在回顾一下这个实验，可以看到所有的被测芯片都使用相同的PCB和供电方式是关键也是控制单一变量的前提，这说明实验人员很了解辐射干扰的作用机理，虽然最后只有武汉芯源CW32通过了实验要求，但是我们还是能从实验中得到些启发。

细心的读者可能注意到，实验中提及3万伏高压这个概念，事实上这个是因为行业中的标准环境空气放电需30KV/cm，在实际实验中这个放电电压是瞬态的，而且存在剧烈波动，因为只有这样才能够引起强烈的电磁场波动，进而达到实验中干扰的目的。

再次就是放电距离问题，因为辐射干扰的能量密度与距离的平方成反比，因此越近的距离干扰能量越强，而且该实验中经做到了cm级，对于常规的设计已经完全能验证问题了。

最后，再给大家分享一下用“小黑盒”电击测试一下各类MCU的视频：