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电路板抗干扰设计

2020-03-26

印刷电路板(也称PCB板)是MCU系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体,印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大,故印制电路板设计不仅是器件、线路的简单布局安排,还必须符合抗干扰的设计原则。印刷电路板抗干扰设计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。基于电磁兼容性原则,印刷板的噪声抑制应从设计阶段开始,贯穿电路原理图设计、印刷板图设计、元器件选用、印刷板安装引线等一系列环节。以下设计原则可以达到减少或消除印刷板设计中常见的干扰,提高设备的可靠性与电磁兼容性的目的。

一、PCB板的布线原则

PCB板的布线方法对抗干扰性能有直接影响。

(1)如果PCB板上逻辑电路的工作速度低于TTL的速度,导线条的形状无特别要求;若使用高速逻辑器件,且工作速度较高,用作导线的铜箔在90度转弯处会使导线的阻抗不连续,有可能会产生反射干扰,所以采用如图1中的形状,把90度的导线改成弯成45度,这样有助于减少发生反射干扰。

(2)不要在PCB板留下空白铜箔层,如图2(a)。空白铜箔层可以充当发射天线或接收天线,因此可以把它们接地,如图2(b)所示。

印刷电路板抗干扰设计

(3)双面布线的PCB板,应使两面线条垂直交叉,以减少磁场耦合,有利于抑制干扰。

(4)导线间的距离要尽可能地大。对于信号回路,印刷铜箔条的相互距离要有一定的尺寸,并且这个距离要随着信号频率的升高而加大。当频率很高或者脉冲前沿十分陡峭的情况发生时更加要注意。因为只有这样才能降低导线之间分布电容的影响。

(5)高电压或大电流线路对其他线路容易形成干扰,而低电平或小电流信号线路容易受到感应干扰。因此,布线时应该使其两者尽量相互远离,避免平行铺设,并且采用屏蔽措施。

(6)采用隔离走线。在许多不得不平行走线的电路布线时可先考虑图3中所示方法,即两条信号线中加一条接地的隔离走线。

(7)对于PCB板上容易接受干扰的信号线,不要与能产生干扰或传递干扰的线路长距离范围内平行铺设。有必要时可在它们之间设置一根地线,以实现屏蔽。

(8)所有线路尽量沿直流地铺设,尽量避免沿交流地铺设。

(9)短接线。在线路无法排列或只有绕大圈才能走通的情况下,干脆用绝缘“飞线”连接,不用印刷线,或者采用双面印刷“飞线”或阻容元件引线直接跨接。

(10)为了防止“窜扰”,交流与直流应分开;输入阻抗高的输入端引线与邻近线分开;输入线、出线分开。

(11)在敏感元件接线端头采用抗干扰保护环。保护环不能当做信号回路,只能单点接地。被保护环包围的部分,有效抑制了漏电对其造成的干扰,同时也使包围部分的辐射减小。

(12)电源线的布线除了要尽量加粗导体宽度外,采取使电源线、地线的走向与数据传递的方向抑制,将有助于增强抗噪声能力。

(13)走线不要有分支,这可避免在传输高频信号导致反射干扰或发生谐波干扰,如图4所示。

(14)合理妥善地布置PCB板内以及板外信号传输线也能起到抑制高频辐射噪声的效果。高速信号线要用短信;信号线间所形成的环路面积要最小;主要信号线最好汇集在中央;时钟发生电路布置在靠近中央的部位;为了避免信号间窜扰,两条信号线切忌平行,而且应采取垂直交叉方式,或者拉开两线的距离,也可以在两条平行的信号线之间增设一条地线。尤其注意与外界相连、向外发送信号的信号线,有时能把外界的干扰信号接收进来,起到类似天线的作用。

二、电路板去耦电容的布置

PCB板上装有多个集成电路,而当其中有些元件耗电很多时,地线上会出现很大的电位差。抑制电位差的方法是在各集成器件的电源线和地线间分别接入去耦电容,以缩短开关电流的流通途径,降低电阻压降。这是PCB板设计的一项常规做法。

2.1 电源去耦

电源去耦就是在每个PCB板入口处的电源线与地线之间并接去耦电容。并接的电容应为一个大容量的电解电容(10~100µF)和一个0.01~0.1µF的非电解电容(见图5)。我们可以把干扰分解成高频干扰和低频干扰两部分,并接入大电容去掉低频干扰成分,接入小电容去掉高频干扰部分。低频去耦电容用铝或钽电解电容,高频去耦电容采用自身电感小的云母或陶瓷电容。

PCB抗干扰设计

2.2 集成芯片去耦

原则上每个集成芯片都应安装一个0.1µF的陶瓷电容器,如遇到印刷电路板空隙小装不下时,可每4~10个芯片安装一个1~10µF的限噪声用的钽电容。这种电容的高频阻抗特别小,在500kHz到200MHz范围内的阻抗小于1欧姆,而且漏电流很小(0.5µA以下)。对于噪声能力弱,关断电流大的器件和ROM、RAM存储器,应在芯片的电源线(V)和地线(GND)间直接接入去耦电容。图6中给出芯片去耦电容的位置。安装电容器室,务必尽量缩短电容器的引线,特别是高频旁路电容。应使PCB板的孔距恰与电容器的引线间距温和,这时电容器的引线为最短。

安装每个芯片的去耦电容式,必须将去耦电容器安装在本芯片的V和GND线,若错误地安装到别的GND位置,便失去了抗干扰作用。见图6。

三、电路板的电源线及地线设计

3.1 地线宽度

加粗地线能降低导线电阻,使它能通过三倍于PCB板上的允许电流。如有可能,地线宽度应在2~3mm以上。

3.2 地线构成闭环路

地线构成闭环路要比梳子状能明显地提高抗噪声能力。闭环形状能显著地缩短线路的环路,降低线路阻抗,从而减少干扰。但要注意环路所包围面积越小越好。

3.3 印刷电路板分区集中并联一点接地

当同一PCB板上有多个不同功能的电路时,可将同一功能单元的元器件集中于一点接地,自成独立回路。这就可使地线电流不会流到其他功能单元的回路中去,避免了对其他单元的干扰。于此同时,还应将各功能单元的接地块与主机的电源地相连接。这种接法称为“分区集中并联一点接地”。为了减小阻抗,地线和电源线要采用大面积汇流排。数字地和模拟地分开设计,在电源端两种地线相连,且地线应尽量加粗。

3.4 PCB板工作在高频时的接地考虑

当PCB板上的元件和导线工作在高频时,便会向空间发出辐射干扰。辐射干扰源来自那些高频数字信号,如高频振荡器等。

为了抑制高频辐射噪声,在高频电路中应采取以下措施:

(1)尽量加粗接地导线,以降低噪声对地阻抗。

(2)满接地。在印刷板上除供传输信号用的印制导线外,把电路板上没有被器件占用的面积全作为接地线。叫做“满接地”。

(3)安装接地板。可把一块铝板或铁板附加在印刷电路板背面做接地板,或将印刷电路板放置在两块铝板或铁板之间,让之成为双面接地板。安装时应使单块或双块接地板尽量靠近PCB板,以便取得良好的抑制辐射噪声效果。另外,安装的接地板必须与系统的信号地端连接,并寻找最佳接地点,否则将降低抑制辐射噪声的效果。

3.5 电源线的布置

电源线除了要根据电流的大小,尽量加粗导体宽度外,采取使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致,将有助于增强抗噪声能力。

四、PCB板存储器的布线

主机板上配置的EPROM型芯片存储器和RAM芯片数据存储器,其抗噪声能力弱,关断时电流变化大,频率高,要防止外界电磁干扰。因此,采取的抗干扰措施有:

(1)数据线、地址线、控制线尽量短,以减少对地电容。尤其是地址线,各条线的长短,布线方式应尽量一致,以便造成阻抗差异过大,形成控制信息的非同步干扰。

(2)由于开关噪声严重,要在电源入口处,以及每片存储器芯片的V与GND之间接入去耦电容。

(3)由于负载电流大,电源线和地线要加粗,走线尽量短。PCB板两面的三总线互相垂直,以防止总线之间的电磁干扰。

(4)总线的始端和终端要配置合适的上拉电阻,以提高高电平噪声容限,增加存储器端口在高阻状态下抗干扰能力和削弱反射波干扰。因此,可将配置上拉电阻作为一种常规做法。

(5)若主机板的三总线需要引出而与其他扩展板相连接,应通过三态缓冲门(74LS244 74LS245)后再与其他扩展板相连接。这样,可以有效防止外界电磁干扰,改善波形和削弱反射干扰。

五、PCB板的器件布置

对于在PCB板上器件布置方面,应该把相互有关的逻辑电路器件尽量放得靠近些,能获得较好的抗噪声效果。

在PCB板上布置逻辑电路时,原则上应在出线端子附近放置高速器件,稍远处放置低速电路和存储器等,这可降低公共阻抗耦合、辐射和窜扰噪声等。PCB板中最快的逻辑元件若比TTL的速度慢时,器件的布置对抗干扰影响不大。易发生噪声的器件、大电流电路等尽量远离逻辑电路,条件许可的话,也可以另做印刷板。器件的布置应该考虑到散热,当PCB板竖直安装时,ROM、RAM、时钟发生器等发热多的器件布置在印刷板的上方部位,或者易通风散热的地方。

为了降低外部线路引进的干扰,光电隔离器,隔离用的变压器以及滤波器等,通常应放在更靠近出线端子的地方。

六、PCB板的板间配线、连接和安装

多块PCB板的板间配线盒安装应遵循的原则是:抑制连线上引进的干扰和降低温升。对于多块PCB板之间的配线,应注意以下几点:

(1)逻辑电路为TTL集成电路时,如果工作频率低于1MHz,其配线长度不超过40cm,则可使用单股导线;配线长度超过40~90cm时,应该使用特性阻抗为100~200欧姆的双绞线,其中一根线与板内的信号线相连,而且应该接入与终端匹配的负载电阻;配线长度超过150cm时,应该使用集成化的专用线路驱动器-接收器和波阻抗为50~60欧姆的同轴电缆。

(2)导线的绝缘要良好。

(3)板与板之间的信号线越短越好。从散热和降低温升的角度看,安装和使用多块PCB板时,垂直安装方式比水平安装方式的散热性能好。此外,一块电路板要考虑在机箱中放置的方向,发热量大的器件要放置在上方。

几块PCB板组成的MCU应用系统,各板之间以及各板与基准电源之间经常选用接插件相互连接。接插件的插针之间也比较容易造成干扰,这些干扰与接插件插针之间的距离以及插针与地线之间的距离均有关系。设计选用时应注意:

(1)合理设置插接件,电源插接件与信号插接件要尽量远离,主要信号的插接件要带有屏蔽。

(2)插头座上要增加接地针数,设置插针信号时,用一部分插针为接地针,均匀分布于各信号针之间,起到隔离作用,以减小针间信号相互干扰。最好设置每一信号针两侧都为接地针,使信号与接地针理想比例为1:1。

(3)信号针尽量分散配置,增大彼此之间的距离。

(4)设计时考虑信号的翻转时差,把不同时刻翻转的插针放在一起。同时翻转的针尽量离开,因为信号同时翻转会使干扰增加。

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