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硬件开发

PCB设计的干扰抑制


PCB设计的干扰与抑制研究

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,在设计印制电路板图时,除了要为电路中的元器件提供正确无误的电气连接外,还应充分考虑印制电路板的抗干扰性。印制电路板由于各种干扰因素的存在,PCB板上的干扰是不可避免的,我们为了抑制PCB的干扰,进行了下面的研究。

一、形成PCB干扰的因素

形成PCB干扰的因素很多,基本要素有以下方面:

1)干扰源的存在,干扰源是指产生干扰的元件、设备或信号,如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。由于干扰源的存在,使PCB设计的干扰抑制成为一个长期的研究任务。

2)干扰传播路径,指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。由于传导和辐射的存在,我们在后面内容中将会分析通过屏蔽、接地等措施来抑制。

3)PCB上存在一些敏感器件,PCB由于电路设计的需要,在PCB上会存在一些易受干扰的器件,这些器件容易产生PCB的干扰,如:数字-模拟-数字变换器,单片机集成电路,数字IC,弱信号放大器等。

二、PCB干扰的种类

PCB设计中的干扰在以前的研究中人们曾经提到过地线干扰、电磁干扰,没有对PCB的干扰进行分类综述。我们根据研究和总结,将PCB设计中的干扰作以下分类:一类是布线类干扰,一类是布局干扰,一类是传导与辐射干扰。布线干扰主要是PCB的信号线、地线、电源线的线宽、线距设置不当、PCB布线方式不良好等形成的干扰。布局干扰主要是指PCB板有很多元件,由于元件位置放置不当形成的干扰。传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。以上是PCB干扰的大体类别,我们在下面将对各种干扰进行分析,并介绍抑制方法。

三、PCB干扰的分析与抑制

3.1布线类干扰及抑制

电源干扰是一种主要干扰,它主要是指电源的滤波不良和布线没有做好形成的干扰。比如:电源的滤波电容容量不当,滤波方式不对,电源线在布线时线宽,与信号线的间距不对这都会形成电源干扰。因此我们首先应该解决电源干扰。如果电源做得好,整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多电路器件对电源噪声很敏感,要给电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对电路器件的干扰。比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。同时对于电源线布置要注意以下两点:1)根据电流大小,尽量调宽电源线的布线宽度。2)电源线走向应与图纸的信号传递方向一致。

地线干扰也是一种主要干扰。地线造成干扰的主要原因是地线存在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压,这就是地线噪声。在这个电压的驱动下,会产生地线环路电流,形成地环路干扰。当两个电路共用一段地线时,会形成公共阻抗耦合。解决地环路干扰的方法有切断地环路,增加地环路的阻抗,使用平衡电路等。解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗,或采用并联单点接地,彻底消除公共阻抗。在PCB板上对地线布线时我们通过以下几点进行干扰抑制:1)数字地与模拟地分开。2)接地线应尽量加粗,至少能通过3倍于印制板上的允许电流,一般应达2~3mm。3)接地线应尽量不构成循环回路,这样可以减少地线电位差。4)同一级电路的接地点应尽量靠近,并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远,否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激,采用这样“一点接地法”的电路,工作较稳定,不易自激。5)总地线必须严格按高频-中频-低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则,切不可随便翻来复去乱接,级与级间宁可接线长点,也要遵守这一规定。

在布线方式上要注意以下几点:1)印刷电路中不允许有交叉电路,对于可能交叉的线条,可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去,或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去,在特殊情况下如果电路很复杂,为简化设计也允许用导线跨接,解决交叉电路问题。2)强电流引线(公共地线,功放电源引线等)应尽可能宽些,以降低布线电阻及其电压降,可减小寄生耦合而产生的自激。3)阻抗高的走线尽量短,阻抗低的走线可长一些,否则会引起电路不稳定。4)功率线、交流线尽量布置在和信号线不同的板上,否则应和信号线分开走线。

3.2布局类干扰及抑制

布局类干扰前面说过是由于元件位置排列引起的干扰。PCB布局干扰只要我们注意PCB的布局原则,按照一定的方法来进行布局对于这类干扰是可以进行有效抑制的。

1)按照电源类型进行布局。这个是PCB布局中最重要的一点,电源类型包括不同的电源电压值,数字电路和模拟电路。按照不同电压,不同电路类型,将他们分开布局,这样有利于最后地的分割,数字地紧贴在数字电路下方,模拟地紧贴在模拟电路下方。这样有利于信号的回流和两种地平面之间的稳定。2)按照器件的功能和类型来进行布局。对于功能相同或者相近的器件,放置在一个区域里面有利于减小他们之间的布线长度。而且还能防止不同功能的器件在一个小区域内形成干扰。3)共地点和转换器的放置。由于电路中很可能存在跨地信号,如果不采取什么措施,就很可能导致信号无法回流,产生大量的共模和差模EMI。所以,布局的时候尽量要减少这种情况的发生,而对于非走不可的,可以考虑给模拟地和数字地选择一个共地点,提供跨地信号的回流路径。电路中有时还存在A/D或D/A器件,这些转换器件同时由模拟和数字电源供电,因此要将转换器放置在模拟电源和数字电源之间。4)容易形成干扰源的器件如:时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端应尽量靠近且远离其它低频器件。5)小电流电路和大电流电路尽量远离逻辑电路。6)印制板安装在机箱时,应保证发热量大的器件处在通风孔的地方。

3.3电磁干扰及抑制

电磁干扰即EMI(Electromagnetic Interference),指系统通过传导或者辐射,发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。因为所有的电子产品都会不可避免地产生一定的电磁干扰,为了量度设备系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力,人们提出了电磁兼容这个概念。美国联邦通讯委员会在1990年和欧盟在1992都提出了对商业数码产品的有关规章,这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则。符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性EMC(Electromagnetic Compatibility)。

对于电磁兼容性,必须满足三个要素:1)电磁兼容需要存在某一个特定的空间。比如,大的,一个房间甚至宇宙;小的,可以是一块集成电路板。

2)电磁兼容必须同时存在干扰的发射体和感受体。3)必须存在一定的媒体(耦合途径)将发射体与感受体结合到一起。这个媒体可以是空间,也可以是公共电网或者公共阻抗。

对于EMI,可以按照电磁干扰的途径分为辐射干扰、传导干扰和感应耦合干扰三种形式。辐射干扰就是指如果干扰源不是处在一个全封闭的金属外壳内,它就可以通过空间向外辐射电磁波,其辐射场强取决于装置的干扰电流强度、装置的等效阻抗,以及干扰源的发射频率。如果干扰源的金属外壳带有缝隙与孔洞,则辐射的强度与干扰信号的波长有关。当如果孔洞的大小和波长可以比拟时,则可形成干扰子辐射源向四周辐射,辐射场中金属物还可以形成二次辐射;传导干扰,顾名思义,干扰源主要是利用与其相连的导线向外部发射,也可以通过公共阻抗耦合,或接地回路耦合,将干扰带入其他电路,传导干扰是电磁干扰的一种重要形式;感应耦合干扰的途径是介于辐射途径与传导途径之间的第三条途径,当干扰源的频率较低时,干扰电源的辐射能力有限。同时干扰又不直接与其他导体连接,此时电磁干扰能量则通过与其相邻的导体产生感应耦合,将电磁能转移到其他导体上去,在邻近导体内感应出干扰电流或者电压。感应耦合可以通过导体间的电容耦合的形式出现,也可以由电感耦合的形式或电容、电感混合出现。

造成设备性能降低或失效的电磁干扰必须同时具备三个要素,首先是有一个电磁场所,其次是有干扰源和被干扰源,最后就是具备一条电磁干扰的耦合通路,以便把能量从干扰源传递到受干扰源。因此,为解决设备的电磁兼容性,必须围绕这三点来分析。一般情况下,对于EMI的抑制,我们主要采用三种措施:屏蔽、滤波、接地。这三种方法虽然有着独立的作用,但是相互之间是有关联的,良好的接地可以降低设备对屏蔽和滤波的要求,而良好的屏蔽也可以使滤波器的要求低一些。下面,我们分别介绍屏蔽、滤波和接地。

3.3.1屏蔽

屏蔽能够有效的抑制通过空间传播的电磁干扰。比如:手机在拨打电话时,如果靠近某个音响设备,我们可以明显地听到“喀、喀声”,我们打开手机的PCB看发现里面的很多干扰源器件都是金属屏蔽了的。采用屏蔽的目的有两个,一个是限制内部的辐射电磁能量外泄出控制区域,另一个就是防止外来的辐射电磁能量入内部控制区。按照屏蔽的机理,我们可以将屏蔽分为电场屏蔽、磁场屏蔽、和电磁场屏蔽。使用电场屏蔽要注意:屏蔽金属板放置靠近受保护设备比较好,这样将减小电场感应电压。2)屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显的影响,例如,全封装的金属盒可以有最好的电场屏蔽效果,而开孔或带缝隙的屏蔽罩可以有最好的电场屏蔽效果,而且开孔或者带缝隙的屏蔽罩,其屏蔽效能会受到不同程度的影响。3)屏蔽板的材料以良性导体为佳,对厚度并无特殊要求。

磁场屏蔽通常是对直流或很低频场的屏蔽,其效果和电场屏蔽和电磁场屏蔽相比要差很多,磁场屏蔽的主要手段就是依赖高导磁材料具有的低磁阻,对磁通起分路的作用,使得屏蔽体内部的磁场大大减弱。对于磁场屏蔽需要注意:1)减小屏蔽体的磁阻(通过选用高导磁率材料和增加屏蔽体的厚度)。2)被屏蔽设备和屏蔽体间保持一定距离,减少通过屏蔽设备的磁通。3)对于不可避免使用缝隙或者接风口的,尽量使缝隙或者接风口呈条形,并且顺沿着电磁线的方向,减少磁通。4)对于强电场的屏蔽,可采用双层磁屏蔽体的结构。对要屏蔽外部强磁场的,则屏蔽体外层要选用不易磁饱和的材料,如硅钢等;而内部可选用容易到达饱和的高导磁材料。因为第一次屏蔽削弱部分,第二次削弱大部分,如果都使用高导磁,会造成进入一层屏蔽的在一层和二层间造成反射。如果要屏蔽内部的磁场,则相反。而屏蔽体一般通过非磁性材料接地。

电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻隔电磁场在空间传播的一种措施。

3.3.2滤波

滤波通常采用三种器件来实现:去耦电容、EMI滤波器和磁性元件。

当电路在很快的器件高低电平变换的时候,就会产生一系列的正弦谐波分量,这些正弦谐波分量就是我们所说的EMI成分,这些高频谐波会通过和其他设备之间的耦合通道对其他设备造成电磁干扰。合理使用去耦电容就能起到很好的抑制电磁干扰的效果。

我们在滤除较为低频的噪声的时候,就应当选择电容值比较高的电容,想滤去频率较高的噪声,比如我们前面所说的EMI,则应该选择数值比较小的电容。所以,在实际中我们通常放置一个1uf到10uf左右的去耦电容在每个电源输出管脚处,来抑制低频成分,而选取O.01uf到O.1uf左右的去耦电容来滤除高频部分。为了获得最佳的EMI抑制效果,我们最好能在每组电源和地的引脚都能安装一个电容,但是如果电源在流出引脚前在Ic内部已经放置去耦电容,那么在引脚处就不必在和每个地之间连接一个电容了。

EMI滤波一般是用在对电源线的滤波,它是用来隔离电路板或者系统内外的电源,它的作用是双向的,即可以作为输出滤波,也可以作为输入滤波。对于不同滤波器的选择,我们通常是通过滤波器接入端的阻抗大小来决定。如果电源线两端都为高阻,那么易选用穿心电容和Ⅱ型滤波器,但是Ⅱ型滤波器的衰减速度比穿心电容大;如果两端阻抗相差比较大,适宜选择L型滤波器,其中电感接入低阻如果两端都为低阻抗,那么就选用T型滤波器。

磁性元件是由铁磁材料构成的,用来抑制EMI最常见的磁性元件有磁珠,磁环,扁平磁夹子。由于磁性元件并不增加线路中的直流阻抗,这使得它非常适合用在电源线上做EMI抑制器件。

3.3.3接地

在实际电路中,信号的基本接地方式有三种,浮地、单点接地和多点接地。良好的接地能够减缓电压瞬变,保证良好的信号回流路径,它是抑制EMI的一种重要手段。特别是将屏蔽和接地配合使用,这样对于高频下的电磁兼容性问题,往往能取到事半功倍的效果。

在实际设计PCB时,我们可以采用以下措施来抑制EMI:1)保证所有的信号尤其是高频信号,尽可能靠近地平面(或其他参考平面)。2)一般超过25MHz的PCB板设计时要考虑使用两层(或更多的)地层。3)在电源层和地层设计时满足20H原则。

由于RF电流在电源层和地层的边缘也容易发射电磁波,解决这个问题的最好方法就是采用20-H规则,即地平面的边缘比电源平面大20H(H是电源到地平面的距离)。若是设计中电源的管脚在PCB的边缘,则可以部分延展电源层以包住该管脚。

4)将时钟信号尽量走在两层参考平面之间的信号层。5)保证地平面(电源平面)上不要有人为产生的隔断回流的断槽。6)在高频器件周围,多放置些旁路电容。7)信号走线时尽量不要换层,即使换层,也要保证其回路的参考平面一样。8)在信号换层的过孔附近放置一定的连接地平面层的过孔或旁路电容。9)当走线长度(单位英寸)数值上等于器件的上升时间(单位纳秒),就要考虑添加串联电阻。10)保证时钟信号或其他高速电路远离输入输出信号的走线区域。11)尽量减少印制导线的不连续性,例如导线宽度不要突变,导线的拐角应大于90度约为135度,信号走线不能呈环状等。12)在一些重要的信号线周围可以加上保护的地线,以起到隔离和屏蔽的作用。13)对于跨地信号,要想办法保证它最小回流面积。

总结

以上我们对PCB设计的干扰与抑制进行了分析,解决电磁兼容干扰的抑制我们还应该使用一定的仪器对干扰源进行定位,如使用频谱分析仪测量干扰源的频率和带宽来定位,这些内容我们将在今后的研究中进行探索。

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