村田电子：应对传感器噪声的对策和推荐电路

　　传感器是“IoT (Internet of things)”和“自动驾驶”的重要元件，今后也将广泛地搭载于各种机器设备上。各种传感器的性能提升显著，能够将信息更多更精细地传送。另一方面，我们也看到一些由于传感器感知到的信息没有被正确地传送出去而造成了严重的事故。

　　为了避免噪声导致的误操作，各种传感器的静噪对策非常重要不可或缺。

　　随着MEMS技术的发展，现在One chip传感器已经成为主流。为此，本文将以One chip传感器(数字输出型)为例，探讨误操作发生的原理和静噪对策方法。

　　02、噪音如何导致传感器误操作?

　　One chip传感器主要由信号、电源、GND三种线构成。而信号线是用了时钟和数据等多根线进行通信的。考虑各根线在施加了噪声后的影响。

　　向数字信号线施加噪声时，噪声引起的超过高/低阈值而被误判断时，无法正常通信从而发生误操作(下图)。实际为加速度传感器的数字信号线加入噪声做评估，确认通信会发生停止。

　　模拟前端包含增幅电路和A/D转换电路，当这些电路的电源变动没有正常工作时，会输出异常值从而发生误操作(下图)。实际为加速度传感器的电源线加入噪声做评估，确认输出会出现紊乱。

　　从上面两种情况可以看出，One chip传感器的信号线或电源线施加噪声时，会发生通信停止或输出值紊乱的误操作。

　　本文即为您介绍一种使用EMI滤波器抑制噪声传播的有效方法。

　　03、静噪对策：要点及推荐电路

　　用于传感器静噪对策的滤波器要求满足以下条件：

　　通过设备工作所需的电源或信号线;

　　屏蔽造成误操作的噪声。

　　One Chip传感器有许多种类和型号，针对造成误操作的噪声所需的滤波器也各有不同。这是因为对滤波器所要求的2个条件，与传感器是相通的：

　　通过设备工作所需的电源或信号线：

　　→One Chip传感器的接口(IC引线)统一化;

　　屏蔽造成误操作的噪声：

　　→施加的噪声是抗扰性测试规格内的。

　　此外，滤波器的贴装位置在传感器附近效果较好。

　　电源线的静噪对策，适合从低频到高频的宽幅带宽下插入损耗较大的滤波器。

　　仅使用电容器的情况下，需要低频端的大容量电容器和为获得高频端插入损耗的低ESL电容器。

　　使用电容器和电感器组合的情况下，可使插入损耗显著增加。传感器比电感器配置足够的容量，构成多段结构，可形成有效的静噪滤波器。

　　信号线的静噪对策：作为信号线(数据/时钟)的静噪对策，通过的信号频率需要插入损耗小的滤波器。

　　噪声级别小或信号和噪声的频率相差大的情况下，可以只用电容器进行降噪，但如果信号频率和噪声频率相近时，需要电感器和电容器组合来构成插入损耗陡峭的滤波器。

　　信号线的静噪对策

　　需要注意的是，将电感器插入特定线时，线路变得不平衡而转换成普通模式(电位差)，误操作可能进一步恶化。插入电感器时很重要的一点是，全线使用同一型号。铁氧体磁珠是电感型滤波器，不仅具有高阻抗可以阻止噪声，铁氧体还能够吸收噪声能量，可以得到更好的静噪效果。

　　推荐电路

　　用于数字One chip传感器的接口一般有I2C和SPI两种。这里，我们针对One chip传感器，推荐静噪对策滤波器和相应电路。

　　I2C对象接口：

　　其信号频率为100kbps(50kHz)、400kbps(200kHz)、3.4Mbps(1.7MHz)等等，最大約为2MHz;

　　其截止频率(信号频率×5)为10MHz。

　　I2C接口推荐电路

　　I2C接口信号线插入损耗

　　I2C接口电源线插入损耗

　　SPI对象接口：

　　其信号频率信号频率1～2Mbps(1MHz)、20Mbps(10MHz)等等，最大 10MHz;

　　其截止频率(信号频率×5)50MHz。

　　SPI接口推荐电路

　　SPI接口信号线插入损耗

　　SPI接口电源线插入损耗

　　用于数字One chip传感器的接口，无论是I2C还是SPI，信号频率并不是一定的，如果滤波器需要对应的截止频率I2C为10MHz，SPI为50MHz，适合使用上述滤波器。

　　04、应用事例

　　下面，我们以“车载设备用的传导抗扰度规定BCI测试”为设想来介绍防止传感器误操作的对策。

　　以车载设备为例研究传感器误操作发生的情况对电源线和信号线的噪声影响。

　　电源线的静噪对策

　　传感器的电源线受噪声影响，会发生传感器输出值的异常(输出误差)。将注入电源线的噪声级固定，对对策前后的输出误差的大小进行调查。传感器输出值发生误操作的起因是“电源线的常态噪声”，在传感器附近插入0.1uF的低ESL电容器。这样一来，传感器的输出误差降到了1%以下。

　　电源线的静噪对策事例

　　需要进一步静噪对策时，像前文介绍的，可运用电感器和电容器组合成π型滤波器进行对策。

　　信号线的静噪对策事例

　　传感器的信号线收到噪声影响，传感器的通信会发生停止。提高注入的噪声水平，调查能够正常工作(不发生误操作)的水平极限。

　　初期：误操作耐性根据频率不同而明显不同。(此事例为100MHz和250MHz，耐性较低。)

　　对策①，追加电容器改善100/250MHz的耐性

　　对策②，用铁氧体磁珠和电容器构成滤波器改善200/250MHz的耐性

　　对策③，为了取得平衡，将π型滤波器加在电源线，GND线上追加铁氧体磁珠，从而改善全频率范围的耐性

　　可看到使用对策③(推荐电路)，全频带的噪声耐性良好(下图)：

　　信号线的静噪对策事例对比

　　05、总 结

　　本文介绍了传感器噪声对策的必要性和推荐电路，以及可能的难点。村田制作所能够为您提供上述“噪声造成传感器误操作的原理”和“对策事例”中介绍的产品。