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印制电路板的抗干扰设计 zz

印制电路板的抗干扰设计

 

  作者:中船重工集团第707所 肖麟芬

 

摘   要:本文以印制电路板的电磁兼容性为核心,分析了电磁干扰的产生机理,详细介绍在设计和装配印制电路板时可采取的抗干扰措施。
关键词:印制电路板;干扰;噪声;电磁兼容性
引言
    印制电路板的设计质量不仅直接影响到电子产品的可靠性,还关系到产品的稳定性,甚至是设计成败的关键。因此,在设绘印制板图时,除了要为电路中的元器件提供正确无误的电气连接外,还应充分考虑印制板的抗干扰性。基于电磁兼容性原则,抗干扰设计应包括三个方面:一是抑制噪声源,二是切断噪声传递途径,三是降低受扰设备的噪声敏感度。印制板的噪声抑制应从设计阶段开始,贯穿于电路原理图设计、印制板图设绘、元器件选用、印制板安装引线等一系列环节中。虽然各环节侧重不一,但又彼此呼应,都应认真对待。本文主要介绍在设计印制板时应该如何有效地抑制噪声。

减少辐射噪声
    印制电路板在工作时会向外辐射噪声而成为噪声源:电路板中信号线经接地回路传送到机壳,引起谐振,由机壳向外辐射强烈噪声;电路板信号经过信号电缆向外辐射噪声;电路板本身也直接向外辐射噪声。为削弱噪声辐射,可作如下处理:
    (1)慎重选用器件。选用时需注意元器件的老化问题,并挑选热反馈影响小的器件。对高频电路,应选用适宜的芯片,以减少电路辐射。在选择逻辑器件时,要充分考虑其噪声容限指标:当单纯考虑电路的噪声容限时,最好用HTL,若兼顾功耗,则用VDD≥15V的CMOS为宜。
    (2)使用多层印制电路板。这样可从结构上获得理想的屏蔽效果:以中间层作电源线或地线,将电源线密封在板内,两面做绝缘处理,可使流经上下面的开关电流彼此不影响;印制板内层做成大面积的导电区,各导线面之间有很大的静电电容,形成阻抗极低的供电线路,可有效预防电路板辐射和接收噪声。
    (3)印制电路板“满接地”。绘制高频线路板时,除尽量加粗接地印制导线外,应把电路板上没被占用的所有面积都作为接地线,使器件更好地就近接地。这样可以有效降低寄生电感,同时,大面积的地线能有力减少噪声辐射。
    (4) 在印制电路板上附加一面或两面接地板。即用一块铝片或铁片附加在印制板背面(焊接面),或将印制板夹在两块铝板或铁板之间。接地板安装时尽量靠近印制板,且务必将其接在系统信号的(SG)最佳接地点上,此结构实质为简单易做的“多层”印制板。若想追求更好的抑制效果,可将印制板装在完全屏蔽的金属盒中,使其不产生、不响应噪声。

妥善布设印制导线
    布线是印制电路板设计图形化的关键阶段,设计中考虑的许多因素都应在布线中体现出来,印制板上铜箔导线的布局及相邻导线间的串扰等因素会决定印制板的抗扰度,合理布线可使印制板获得最佳性能。从抗干扰性考虑,布线应遵循的设计、工艺原则有:
    (1)只要满足布线要求,布线时应优先考虑选择单面板,其次是双面板、多层板。布线密度应综合结构及电性能要求等合理选取,力求布线简单、均匀;导线最小宽度和间距一般不应小于0.2mm,布线密度允许时,适当加宽印制导线及其间距。
    (2)电路中的主要信号线最好应汇集于板中央,力求靠近地线,或用地线包围它,信号线、信号回路线所形成的环路面积要最小;要尽量避免长距离平行布线,电路中电气互连点间布线力求最短;信号(特别是高频信号)线的拐角应设计成135°走向,或成圆形、圆弧形,切忌画成90°或更小角度形状。
    (3)相邻布线面导线采取相互垂直、斜交或弯曲走线的形式,以减小寄生耦合;高频信号导线切忌相互平行,以免发生信号反馈或串扰,可在两条平行线间增设一条地线。
   (4)妥善布设外连信号线,尽量缩短输入引线,提高输入端阻抗。对模拟信号输入线最好加以屏蔽,当板上同时有模拟、数字信号时,宜将两者的地线隔离,以免相互干扰。
   (5)妥善处理逻辑器件的多余输入端。将与/与非门多余输入端接“1”(切忌悬空),或/或非门多余输入端接Vss,计数器、寄存器和D触发器等空闲置位/复位端经适当电阻接Vcc,触发器多余输入端必须接地。
    (6) 选用标准元器件封装。如需创建元件封装时,焊盘孔距应与器件管脚间距一致,以减小引线阻抗及寄生电感。布设导线时应尽量减少金属化过孔,以提高整块印制板的可靠性。

 

抑制电源线和地线阻抗引起的振荡
    设计装配密度很高的电路板应注意降低电源线和地线阻抗,对公共阻抗、串扰和反射等引起的波形畸变和振荡现象需采取必要措施。当电路板上有较多集成电路器件同时工作时,板上电源电压和地电位易产生波动,导致信号振荡,引起电路误动作。尤其当浪涌电流流过印制导线时,会出现瞬时电压降,形成电源尖峰噪声,其中以导线电感引起的干扰为主。在实际设计中,应尽量避免该电感对电路的影响:在各集成电路的电源和地线间分别接入旁路电容,以缩短开关电流的流通途径;将电源线和地线设计成如图2(b)所示的格子形状,而不用图2(a)所示的梳子形状,这是因为格子状能显著缩短线路环路,降低线路阻抗,减少干扰。
    当印制电路板上装有多个集成电路,且部分元件功耗较大,地线出现较大电位差,形成公共阻抗干扰时,宜将地线设计成如如图2(d)所示的封闭环路,这种环路无电位差,比图2(c)所示的方式有更高的噪声容限;应尽量缩短引线,将各集成电路的GND以最短距离连到电路板入口地线,降低印制导线产生的尖峰脉冲;让地线、电源线走向与数据传输方向一致,以提高电路板的噪声容限。
    使用大量高速逻辑电路时常采用多层印制电路板,降低接地电位差,减少电源线阻抗和信号线间串扰。当没有多层板而不得不使用双面板时,必须尽量加宽地线线条,通常地线应加粗到可通过三倍于导线实际流过的电流量为宜;或采用小型母线方式,将公共电源线和地线尽量分别布于印制板两面边缘。当印制板插头有多个插头接触片时,应多备几个引线插头作地线使用,如图2(b)所示,并按总负载电流大小,在插头处接入1~10mF的钽电容器对电源母线去耦,并在去耦电容旁并联一个0.01~0.1mF的高频陶瓷电容器。
正确运用抗扰器件
    进行印制板的电磁兼容性设计,应根据噪声的不同特点,正确选用抗扰器件:用二极管和压敏电阻等吸收浪涌电压,用隔离变压器等隔离电源噪声,用线路滤波器等滤除一定频段的干扰信号,用电阻器、电容器、电感器等元件的组合对干扰电压或电流进行旁路、吸收、隔离、滤除、去耦等处理。如果抗扰器件运用不当,那么不但不能有效减少干扰,甚至还会成为新的干扰源。
    对电容器的选用和安装来说,钽电解电容器在低频段应用效果好,应装在电源入口处;陶瓷电容器在高频段应用效果好,应装在各集成电路的附近。安装电容器时,要尽量缩短引线,但不能为求引线短而忽视安装位置,应将其装在需要旁路的集成电路的Vcc和GND管脚近处,否则,电容器就毫无旁路意义。当板上信号导线阻抗不匹配时,会发生多次反射噪声,在线路终端和始端接入阻抗匹配电阻,可消除干扰。当印制导线较长时,线路电感会导致减幅振荡,串入阻尼电阻,可抑制振荡,增强抗干扰能力,改善波形。

合理布置器件
    板上器件布局不当是引发干扰的重要因素,所以应全面考虑电路结构,合理布置印制板上的器件。首先应根据需要确定印制板的大小和形状,尺寸过大会使印制导线加长,阻抗增大,噪声容限降低;尺寸过小又不利于散热,邻近导线、器件易发生感应。
    在印制板上布置元器件,原则上应将输入输出部分分别布置在板的两端;电路中相互关联的器件应尽量靠近,以缩短器件间连接导线的距离;工作频率接近或工作电平相差大的器件应相距远些,以免相互干扰。如常用的以单片机为核心的小型开发系统电路,在设绘印制板图时,宜将时钟发生器、振荡器等易产生噪声的器件相互靠近布置,让有关的逻辑电路部分尽量远离这类噪声器件。同时,考虑到电路板在机柜内的安装方式,最好将ROM、RAM、功率输出器件及电源等易发热器件布置在板的边缘或偏上方部位,以利于散热。
    在印制电路板上布置逻辑电路,原则上应在输出端子附近放置高速电路,如光电隔离器等,在稍远处放置低速电路和存储器等,以便处理公共阻抗的耦合、辐射和串扰等问题。在输入输出端放置缓冲器,用于板间信号传送,可有效防止噪声干扰。
    电路板上装有高压、大功率器件时,与低压、小功率器件应保持一定间距,尽量分开布线。在大功率、大电流元器件周围不宜布设热敏器件或运算放大器等,以免产生感应或温漂。

合理布置板间配线
    板间配线会直接影响印制板的噪声敏感度,因此,在印制板联装后,应认真检查、调整,对板间配线作合理安排,彻底清除超过额定值的部位,解决设计中遗留的不妥之处。板间配线应注意以下几点:
    (1)板间信号线越短越好,且不宜靠近电力线,或可采取两者相互垂直配线的方式,以减少静电感应、漏电流的影响,必要时应采取适宜的屏蔽措施;板间接地线需采用“一点接地”方式,切忌使用串联型接地,以避免出现电位差。地线电位差会降低设备抗扰度,是时常出现误动作的原因之一。
   (2)远距离传送的输入输出信号应有良好的屏蔽保护,屏蔽线与地应遵循一端接地原则,且仅将易受干扰端屏蔽层接地。应保证柜体电位与传输电缆地电位一致。
    (3)当用扁平电缆传输多种电平信号时,应用闲置导线将各种电平信号线分开,并将该闲置导线接地。扁平电缆力求贴近接地底板,若串扰严重,可采用双绞线结构的信号电缆。
    (4)交流中线(交流地)与直流地严格分开,以免相互干扰,影响系统正常工作。

结语
    一般而言,使用以上的基本抗干扰措施,可消除印制板90%左右的常见干扰。由于硬件的可靠性是设备的复杂性函数,要消除一些特殊的、小概率的干扰,就要采用特殊的、更复杂的硬件抗干扰电路。但过多地采用硬件抗干扰措施,会明显提高产品的常规成本,且硬件数量的增加,还会产生新的干扰,导致系统的可靠性下降。所以应根据设计条件和目标要求,合理采用一些硬件抗干扰措施,提高系统的抗干扰能力。

博主
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