برد الکترونیکی دیجیتال: منابع نویز و آسیب ها
اغلب تصور بر این است که هر برد الکترونیکی دیجیتال، از نویز مصون است، اما در واقع چنین نیست! نویز در سیستم‌های دیجیتال نیز باعث ایجاد خرابی های نرم افزاری (upset) مثل پرش برنامه به یک محل تصادفی در حافظه خواهد شد. اگرچه نویز در خطوط سیگنال میتوانند باعث بروز چنین مشکلاتی شود، اما ولتاژ منبع تغذیه نسبت به نویز سیگنال حساس‌تر است. نویز فقط در شرایط استثنایی ایجاد نمی‌شود بلکه حتی در یک عملکرد عادی مدار نیز، شرایط نویزی شدید میتواند باعث شود که یک خط تغذیه 12 ولت، حالت گذرایی بین + و – 400 ولت را نشان دهد و یا باعث ایجاد تخلیه‌های الکترواستاتیک شده و صدمات دائمی به سخت افزار وارد کنند. تمام این مسائل باعث میشود تا نویز در طراحی برد الکترونیکی موضوع بسیار مهمی باشد.
در چند مطلب پیش رو خواهیم گفت که نویز چطور در برد الکترونیکی دیجیتال ایجاد میشود و هم چنین ملاحظات طراحی در چنین شرایطی را بررسی خواهیم کرد؛ مواردی مانند نحوه‌ی چیدمان خطوط در PCB، توزیع و دیکوپله سازی منابع تغذیه، تکنیک های حفاظت و زمین کردن مدار، که میتواند در به حداقل رساندن حساسیت به نویز کمک کند.
نشانه‌های وجود نویز
معمولاً در مرحله توسعه یک سیستم میکروکنترلر مشکلات نویزی وجود ندارد. این امر به این دلیل است که به ندرت میتوان محیط یک سیستم را واقعا آن طور که هست شبیه سازی کرد. بعد از نصب سیستم در محیط واقعی و پس از گذشت مدتی از عملکرد نرمال، سیستم از حالت طبیعی خود خارج شده و دستورات ورودی نادیده گرفته میشوند و در نتیجه احتمال ناپایداری خروجی‌ها نیز وجود دارد. در برخی موارد برای چنین مشکلاتی میتواند دلیل واضح وجود داشته باشد، مانند تخلیه الکترواستاتیک از انگشت یک شخص به صفحه کلید که با هر بار روشن یا خاموش شدن رخ دهد؛ اما در اکثر موارد نمیتوان به این راحتی منبع ایجاد نویز را یافت.
یکی از نشانه‌های وجود نویز در مدار، عملکرد تصادفی هم در بروز نوع عیب در مدار و هم در عملکرد برد الکترونیک معیوب است. البته این تصور که همه خرابی‌های عملیاتی که در فواصل به ظاهر تصادفی اتفاق میافتند، لزوماً در اثر نویز ایجاد میشوند نیز اشتباه است. خطوط تغذیه VCC در حاشیه‌ی برد الکترونیکی، دیکوپله شدن ناقص، باگهای نرم افزاری، یا همزمان شدن برخی از اتفاقات متناقض نیز میتواند مشکلاتی را ایجاد کند که در وهله اول به نظر میرسد به طور تصادفی رخ داده است. از طرف دیگر، برخی از منابع نویزی نیز میتوانند به صورت متناوب، مشکلاتی ایجاد کنند.
منابع نویز در برد الکترونیکی
EMI یا تداخل الکترومغناطیسی (electromagnetic interference)، نامی است که به نویزهای الکتریکی به غیر از موارد ذاتی اجزای مدار (مانند نویز حرارتی) داده میشود. موتورها، سوئیچهای قدرت، چراغهای فلورسنت، تخلیه الکترواستاتیک و... میتوانند منابع EMI باشند، که در ادامه به طور مختصر به آن پرداخته میشود.
ولتاژ گذرا در خطوط تغذیه
هر چیزی که بارهای جریانی سنگین را به خطوط قدرت AC یا DC قطع و وصل کند، باعث ایجاد ولتاژهای گذرای بزرگی در این خطوط میشود. برای مثال روشن یا خاموش کردن یک ماشین تحریر برقی میتواند باعث افزایش ولتاژ ناگهانی تا 1000 ولت بر روی خطوط برق AC شود!
در شکل زیر باتری(v) نشان دهنده منبع تغذیهAC یا DC است. سیم پیچها (L) بیانگر اندوکتانس بین منبع تغذیه و بارهای R1و R2 هستند. اگر هر دو بار جریان بکشند، جریان حاصل از طریق القاء، نیز سبب ایجاد میدان مغناطیسی میشود. سپس، هنگامی که یکی از بارها خاموش شود، جریان خط از تعادل خارج شده و ولتاژهای گذرا v =L (di / dt) را تولید میکند تا بتواند جریان را در سطح اصلی خود حفظ کند.
به این پدیده ضربه القایی (inductive kick) گفته میشود. ضربه القایی هم در لحظه باز شدن و هم در بسته شدن سوئیچ اتفاق می‌افتد، اما اثر مخرب این پدیده در هنگام باز شدن سوئیچ بیشتر است. علاوه بر ضربه القایی، نویز میتواند با خطوط انتقال توان، به سایر مدارات حساس منتقل شده و عملکرد برد الکترونیکی را دچار اختلال کند.
EMP و RFI
هر چیزی که قوس الکتریکی یا جرقه ایجاد کند، سبب تابش پالس های الکترومغناطیسی (EMP) یا تداخل فرکانس رادیویی (RFI) میشود. تخلیه الکتریکی به سبب جرقه، بیش از هر منبع نویز دیگری در تجهیزات دیجیتال آسیب ایجاد میکند. قوس‌ها و جرقه‌ها در سیستم جرقه زنی خودرو، موتورهای برقی، سوئیچها، تخلیه‌های ایستا و غیره اتفاق می‌افتد. موتورهای برقی دارای کموتاتور از جمله موتورهای DC و موتورهای (AC / DC) یونیورسال که به صورت دستی روشن میشود، با حرکت برا‌‌ش‌ها از یک نوار به نوار دیگر قوس تولید میکنند. در سوئیچها، همان ضربه القایی باعث میشود که با باز و بسته شدن یک سوئیچ جرقه ایجاد شود.
ESD در برد الکترونیکی
تخلیه الکترواستاتیک (electrostatic discharge) جرقه ای است که در اثر تخلیه بار ایستایی ایجاد میشود؛مانند جمع شدن بار ایستایی ناشی از راه رفتن شخص بر روی فرش و تخلیه آن به یک صفحه کلید. در یک محیط خشک، یک فرد میتواند ولتاژ ثابت ۳۵ کیلوولتی را جمع کند که پالس ناشی از تخلیه الکترواستاتیک آن میتواند دارای سرعت بسیار سریع ۴A / ns باشد. مقدار ولتاژ حاصل از اعمال یک پالس جریان ESD در چند اینچ سیم مستقیم از رابطه‌ی L (di / dt) محاسبه میشود. 2 اینچ سیم مستقیم در حدود 50nH خاصیت القایی دارد که شاید این مقدار، ناچیز به نظر برسد اما اگر مقدار(di / dt) برابر ۴A / ns در نظر گرفته شود، تغییر ولتاژ حاصل 200V خواهدبود. بدیهی است، در طراحی سیستم‌هایی که قرار است در معرض این پدیده قرار گیرند، باید حساسیت به ESD در نظر گرفته شود.
نویز زمین
جریان های موجود در خطوط زمین، منابع دیگر نویز هستند. از جمله میتوان به جریان 50 هرتز از خطوط منبع، تداخلRF، تلاقی سیگنال‌هایی که از این سیم به عنوان مسیر بازگشت سیگنال، به طور مشترک استفاده میکنند و غیره اشاره کرد. نویز در خطوط زمین اغلب به عنوان حلقه زمین (ground loop) شناخته میشود. مفهوم اصلی حلقه زمین در شکل زیر نشان داده شده است.
مسئله این است که زمین واقعی در تمام نقاط دارای یک پتانسیل یکسان نیست. اگر دو انتهای یک سیم در نقاط مختلف زمین قرار داشته باشد، اختلاف ولتاژ بین دو نقطه "زمین" میتواند جریانهای قابل توجهی (چندین آمپر) را از طریق سیم هدایت کند. یک سیم را جزئی از یک حلقه در نظر بگیرید که علاوه بر سیم، یک منبع ولتاژ دارد که ناشی از وجود اختلاف پتانسیل بین دو نقطه از زمین است. بنابراین در چنین شرایطی یک حلقه کلاسیک "زمین" وجود دارد! این اصطلاح برای اشاره به هر جریان ناخواسته (و اغلب غیر منتظره) در یک خط زمینی به کار می‌رود.
نویز تابشی و رسانشی
نویز تابشی یا Radiated noise نویزی است که به صورت تابش الکترومغناطیسی مانند EMP و RFI میتواند وارد مدار شود. این نویز با ایجاد ولتاژهای اضافی در برد الکترونیکی باعث ایجاد مشکل میشود و یکی از راههای مقابله با آن، دقت در layouts و استفاده از تکنیکهای حفاظت (shielding) است.
نویز رسانشی یا Conducted Noise نویزی است که معمولا به عنوان یک ولتاژ خارجی، به طور مستقیم از طریق خطوط برق AC یا DC وارد برد میشود که برای کاهش آن میتوان از فیلترها استفاده کرد، اگرچه layout ها و تکنیکهای زمین کردن نیز در اینجا مهم هستند.
انواع عیوب ناشی از نویز در برد الکترونیکی
تا اینجا، انواع روش‌هایی که ممکن است به یک برد الکترونیکی نویز وارد شود را بررسی کردیم. همان طور که مشاهده کردید برخلاف انتظار، در بردهای الکترونیکی دیجیتال نیز نویز مسئله مهمی است که باید حتما در نظر گرفته شود. در ادامه انواع عیوبی که نویز در مدارهای الکترونیکی ایجاد میکند را معرفی کرده و در مورد برخی راه‌حل‌های جلوگیری از آنها، صحبت خواهیم کرد.
عیوب نرم افزاری در برد الکترونیکی
یکی از مشکلات اساسی که EMI میتواند در سیستم‌های دیجیتال ایجاد کند، رخداد عیب‌های متناوب در هنگام عملکرد برد الکترونیکی است. این ایراد نرم‌افزاری زمانی رخ می‌دهد که سیستم در زمانی که یک منبع نویز فعال است، شروع به کار کند و معمولاً با از دست دادن اطلاعات یا جهش برنامه به محلی تصادفی در حافظه همراه است. در این موارد معمولا هیچ آسیبی به سخت افزار وارد نشده و عملیات عادی میتواند به محض غیر فعال شدن منبع نویز به حالت نرمال برگردد. از سرگیری عملکرد نرمال معمولاً نیاز به تنظیم مجدد دستی یا خودکار دارد و احتمالاً اطلاعات از دست رفته نیز باید دوباره وارد شود.
تخلیه الکترواستاتیک از پرسنل, نه تنها موجب عیوب نرم‌افزاری میشود، بلکه ممکن است به سخت افزار سیستم نیز آسیب جدی وارد کند. رخداد این اتفاق, حتی نیاز به کارکردن سیسم ندارد. گاهی اوقات عیب دائمی پنهان بوده و نمود نتایج آن با تاخیر همراه است، این بدان معناست که آسیب اولیه ممکن است اندکی کمتر از حد خرابی باشد و با گذشت زمان و تشدید فشار بر سیستم، خرابی دائم در سیستم به وقوع بپیوندد.
در ادامه بحث عیوب نرم افزاری وارد بر سیستم، گذراهای حاصل از نویز میتوانند از طریق هر pin، حتی pin خروجی باعث آسیب به تراشه شوند. زیرا هر pin روی تراشه از طریق یک اتصال pn به زیرلایه متصل میشود. با این حال آسیب‌پذیرترین pin خط VCC است زیرا دسترسی مستقیم به تمام قسمت‌های تراشه اعم از هر رجیستر, گیت، فلیپ فلاپ، بافر و ... دارد.
اختلال در ولتاژ بایاس
یکی از مکانیزم های خرابی مرتبط با ESD، مربوط به ولتاژ بایاس زیرلایه (substrate) تراشه است. روی بعضی از تراشه های CPU ولتاژ زیرلایه توسط یک اسیلاتور تغییر فاز که در یک مدار کلمپ خازن / دیود کار میکند در 2.5v- نگه داشته میشود که در حلقه‌های طراحی تراشه، به آن پمپ شارژ (charge pump) گفته میشود. اگر این زیرلایه در هر جهت (ولتاژ منفی یا مثبت) دچار تغییرات زیادی شود، در روند خواندن برنامه خطا رخ می‌دهد. همچنین آسیبهای ناشی از اکسید شدن سطح زیرلایه باعث افزایش جریان نشتی میشود که در نتیجه آن پمپ بار را پایین میآورد و ولتاژ زیرلایه را به یک سطح حاشیه ای و یا غیرقابل قبول می‌رساند. و درنتیجه سیستم تا زمان جابجایی تراشه CPU، غیرقابل اعتماد یا کاملاً غیرقابل استفاده است.
تراشه‌هایی که دارای زیرلایه ای متصل به زمین هستند، در شرایطی میتوانند برخی از آسیبهای اکسید را بدون اینکه در عملکردشان دچار مشکل شوند، تحمل کنند. در این حالت آسیب سبب افزایش جریان نشتی میشود اما تا زمانی که ولتاژ زیرلایه، مقدار مطلوب طراحی خود را حفظ کند، میزان خسارت تا حد زیادی پنهان باقی خواهد ماند. بنابراین باید در نظر داشت که اتصال پین های محافظت نشده به صفحه کلید یا هر چیزی که باعث تخلیه های الکترواستاتیک میشود، پیکربندی بسیار خطرناکی را ایجاد میکند و پردازنده، صرف‌نظر از نوع آن، با اتصال محافظت نشده به صفحه کلید، در نهایت از بین خواهد رفت.
آسیب حرارتی در برد الکترونیکی
ذکر این نکته حائز اهمیت است که علاوه بر تراشه های MOS، تراشه های دو قطبی و خطی نیز مستعد آسیب دائمی ESD بوده و میتوانند از این طریق آسیب ببینند. اتصالات PN که باعث خرابی سخت افزاری میشود، خرابی ثانویه حرارتی نام دارد و در آن یک spike جریان، مانند جریان تخلیه الکترواستاتیک باعث میشود نقاط میکروسکوپی موضعی در محل اتصال به دمای ذوب نزدیک شوند. حتی تراشه های TTL توان پائین نیز از این آسیب مصون نیستند.
تعداد مکانیزم‌های خرابی ممکن، نسبتا زیاد است. یک گذرای حاصل از نویز در زیرلایه، در زمان نامناسب، میتواند باعث ایجاد خطا در روند خواندن برنامه شود. به عنوان مثال؛ یک سطح نادرست در ورودی کنترل میتواند باعث شود که یک OPcode بیرونی و یا غلط، fetch شود. یک اغتشاش در خط تغذیه میتواند باعث تغییر ناخواسته و تصادفی یک بیت در کانتر برنامه و یا رجیسترها شود. همچنین قطع کوتاه یا معکوس شدن قطبیت در خط تغذیه، نیز باعث میشود پردازنده خاموش شود اما نه به اندازه کافی طولانی که خازن تنظیم مجدد برق، بتواند کامل تخلیه شود. بنابراین هنگامی که گذرا به پایان رسد، تراشه بدون تنظیم مجدد، دوباره شروع به کار میکند.
در انتها با تاکید بر این نکته که مشکلات ناشی از نویز از جمله گذراها از پین های یک تراشه نشات می‌گیرد، میتوان نتیجه گرفت که این تراشه نیست که باعث جمع شدن نویز میشود بلکه کل برد الکترونیکی است!
حلقه‌های جریان در برد الکترونیکی
عبور جریان الکتریکی نیاز به مسیر بسته دارد! همین واقعیت ساده گاهی توسط مهندسان با تجربه، سهوا نادیده گرفته میشود. نادیده گرفته شدن حلقه جریان احتمالاً مدیون اختراع نماد زمین در مدار است. زمین در مدار، یک سینک نامتناهی جریان است که تا هر مقدار جریان میتواند وارد آن شود و فراموش شود، اما از بین نرفته است. زیرا باید به منبع خود برگردد تا یک حلقه بسته شکل گیرد. هندسه فیزیکی یک حلقه جریان معین، کلید اصلی تولید EMI، چرایی ابتلا به EMI و چگونگی محافظت در برابر آن است.
عبور جریان الکتریکی از یک سیم، باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی در اطراف آن سیم میشود که شدت آن به طور معکوس با فاصله از سیم متفاوت است. دو سیم موازی حامل جریانهای +I و -I (همانطور که در خطوط تغذیه سیگنال و برگشت آن وجود دارد) میتوانند میدان مغناطیسی در نزدیکی سیمها تولید کنند (فاصله یک نقطه معین از یک سیم به طور قابل توجهی با فاصله از سیم دیگر متفاوت باشد، زیرا در فاصله‌ی مساوی از سیمها، دو میدان اثر هم را خنثی میکنند). بنابراین، حفظ نزدیکی بین مسیرهای تغذیه و بازگشت آن یک راه حل مهم برای به حداقل رساندن تداخل میدانها با سیگنالهای دیگر است. در واقع راه حفظ نزدیکی آنها، به حداقل رساندن مساحت حلقه آنهاست.
بنابراین به منظور کاهش EMI و همچنین حساسیت نسبت به EMI، باید مساحت حلقه های جریان در برد الکترونیک حداقل باشد. به عبارت دیگر القای برد باید به حداقل برسد.
شبیه سازی محیط
اگر بخواهید بعد از اتمام طراحی سیستم به مشکلات ناشی از نویز بپردازید باید هزینه زیادی پرداخت کنید. با صرف اندکی زمان و هزینه برای بررسی نویز و تجهیزات مورد نیاز برای شبیه سازی آن، میتوان تستهای کنترل شده‌ای انجام داد که در نتیجه در طولانی مدت مقرون به صرفه خواهدبود.
شبیه سازی نویز محیط، یک فرآیند دو مرحله‌ای است که در طی آن ابتدا باید مشخص شود نویزهای محیط چیست، یعنی شما باید بدانید که چه نوع نویزهای الکتریکی در محیط وجود دارد و کدام یک باعث ایجاد مشکل میشود. مرحله‌ی بعد، تولید نویز الکتریکی در نرم‌افزار به روش کنترل شده می‌باشد. البته انجام این کار نیاز به تخصص و تجربه دارد ولی از بسیاری از هزینه‌های ناخواسته جلوگیری میکند!
حرف آخر
در تصور اولیه ممکن است به نظر برسد که نویز فقط در مدارهای آنالوگ تاثیرگذار است. این تصور خیلی دور از انتظار هم نیست؛ چرا که در یک سیستم دیجیتال تنها مقادیر 0 و 1 وجود دارد و تغییرات کوچک در سیگنال، باعث تغییر در مقدار 0 یا 1 نمی‌شود. اما همانطور که دیدید شرایط بسیارمتنوعی وجود دارد که میتواند نویز را در یک برد الکترونیکی دیجیتال به یک مسئله جدی تبدیل کند.
از اینکه نظرات‌تان را با ما در میان می‌گذارید متشکرم!
نظرات