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PCB瞬态干扰抑制


PCB设计中瞬态干扰的抑制

当今空间中电磁环境越来越复杂,各种瞬态干扰信号也随之增多。另一方面,随着微电子技术的发展,印制电路板(PCB)的集成度和工作频率不断提高,而工作电压却逐渐降低,因而对瞬态干扰的敏感性和易损性也不断增加,比较小的瞬态干扰就可能造成误码、记忆信息丢失甚至电子元器件失效或烧毁。上述情况对PCB的正常工作构成了很大的威胁,因此在进行PCB设计时决不单是对元器件用导线连通的简单布局,设计者除了要为电路中的元器件提供准确无误的电气连接外,还要遵守PCB设计的一般原则,充分考虑PCB的抗瞬态干扰性。

本文对PCB所受到的瞬态干扰及其危害进行了分析,介绍了PCB瞬态干扰抑制原理并给出了抑制措施及相应的组成电路,最后对实际应用的电路进行了分析。

一、PCB设计中的瞬态干扰及其危害

1.1瞬态干扰

瞬态干扰是指由于直接静电放电(ESD)、电快速瞬变脉冲群(EFT)、电磁脉冲(EMP)、雷击以及电路中电感负载或大型负载的通断产生的瞬时过电压或过电流(浪涌电压或电流)干扰信号。其特点是:作用时间极短(最短可达到几纳秒),电压幅度高,瞬态能量大。

1.2瞬态干扰的危害

瞬态干扰信号对电子系统的PCB造成电噪声、电磁干扰。静电放电(ESD)和电快速瞬变脉冲群(EFT)对数字电路的危害更强于对模拟电路的影响,静电放电在5MHz~200MHz的频率范围内能产生强烈的射频辐射,此辐射能量的峰值经常在35MHz~45MHz之间发生自激振荡。许多I/O电缆的谐振频率也通常在这个频率范围内,从而导致瞬态干扰辐射发射的能量通过电缆和机壳线路耦合到设备内部的PCB上。当电缆暴露在4kV~8kV静电放电环境中时,I/O电缆终端负载上可以测量到的感应电压可达到600V,这个电压远远超出了典型数字器件的门限电压值0.4V。

此外,瞬态过压可导致数字电路输出端逻辑值的改变从而产生误动作或引起下级电路的逻辑功能紊乱。当瞬态过电压与原有输入电压叠加后超过系统内部电路或器件的极限值时,就可能会烧毁电子元器件,对PCB造成硬损伤,主要表现为半导体器件的短路、开路、PN结击穿、氧化层击穿等现象,还可能形成累积效应,使电路的可靠性降低,埋下潜在的危害。

二、PCB瞬态干扰的抑制措施

为了避免瞬态干扰对PCB造成损伤,必须将这种瞬态干扰能量在非常短的时间内同电位均衡系统短接(引入大地),这一放电过程的放电电流最高可达到几千安。与此同时,需在设计PCB时加上瞬态抑制器件(或电路)在放电电流很大时也能将输出电压限定在尽可能低的数值上。

2.1干扰抑制器件及其选择

加干扰抑制器件是目前应用比较广泛、效果比较明显的一种瞬态干扰抑制措施,也是PCB抗瞬态干扰加固研究的主要方面。在PCB的瞬态干扰抑制设计中,应根据各种器件的特性以及不同干扰的特点,选择适当的抗干扰能力强的抑制器件,例如:用齐纳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把干扰电压或电流旁路、吸收、隔离、滤除、去耦等。值得注意的是,如果干扰抑制器件运用不当,不但不能有效地减少干扰,甚至会成为新的干扰源。因此,干扰抑制器件选择的正确与否非常重要。

去耦电容是一种应用比较广泛,非常实用的干扰抑制器,它可以对电源线去耦和滤除电路上的高频干扰,对提高整机系统的可靠性、整体性能指标都有十分明显的效果。

(1)通常在PCB的电源进线端安装一个(1~10)mF的大电容,例如钽电解电容,它在低频段应用效果比较好,可以衰减电源线上的干扰信号和对其它小容量电容充电。

(2)原则上每个集成电路芯片的电源进线端都应安装一个(0.01~0.1)mF,在高频段效果好的陶瓷电容。如果印制电路板空间小装不下时,可在每4~8个芯片的电源进线端安置1个(1~10)mF的低噪声钽电解电容。为IC安装的电容一定要靠近电源脚和地脚,以减小连接线的长度,这样既能减小电流流经的环路面积,又能减小电感。

(3)在板上一处使用两个电容并联比单个电容的去耦效果好。由于两个电容并联时电感(或互感)约是单个电容的一半,这可将去耦能力提高约6dB。安装时使电容上流过的电流方向相反,以便电容产生的磁通相互抵消来减小互感的方法有效性较差(约改善2dB)。而多个电容间适当有点间距的安装方法,可得到更好的滤波或去耦效果。值得注意的是:两个电容宜采用相同容量电容,不同的电容会由于并联谐振,在两电容的谐振频率间出现反谐振点。

(4)对于抗噪声能力弱,关断时电位变化大的器件和ROM、RAM存储器件,应在芯片的电源线(VCC)和地线(GND)间直接接入去耦电容。

2.2抑制电路的组成

瞬态干扰抑制器件一般是以组合电路的形式应用在PCB中,因为每个器件有其各自不同的特性,并且放电能力、响应特性、灭弧性能、限压精度均不同,必须根据不同的应用场合组合出符合应用要求的多级抑制电路,才能更好的达到抑制效果,例如压敏电阻器可以有效的抑制电涌,但不能完全消除电涌,其残余的能量对低压精密器件还是会有损伤的,而半导体抑制器件(例如整流二极管、齐纳稳压二极管、硅二极管)响应时间快,能够很好地消除电涌威胁,它一般用于小能量、低电压、小电流电路中作为后级防护。如图1所示是由压敏电阻和齐纳二极管组成的两级抑制电路。我们以适当的形式将抑制器件连接在PCB的输入端与地之间,平时相当于开路,当输入端的瞬态信号幅度超过抑制器件的反向击穿电压时,器件能为大电流提供一个到地的低阻抗通道,从而抑制了瞬态过压对PCB的影响,起到了抑制瞬态干扰的作用。因此,组成抑制电路的器件应该具有很小的反向漏电流,低的击穿电压,很快的响应时间,而且能够承受瞬时反向大电流的冲击而不会自毁,更重要的是不能影响PCB的工作性能。

图1 压敏电阻和齐纳二极管抑制电路

图2所示为齐纳二极管抑制电路。把该电路并联接入电源侧面,当电源电压出现瞬态升高时,电路中的齐纳二极管VDZ被击穿,继电器K得电,常闭触点K1断开,使得负载RL与电源分开,从而保护了负载瞬态过压。此外,电路中瞬态干扰抑制装置的位置非常重要,当齐纳二极管置于电容器和电感器之后时,保护器件上建立的电压可能会高于施加的瞬态电压并形成阻尼正弦振荡。

2.3实际应用分析

运算放大器的损伤失效阈值只有千分之几焦耳,当出现电涌时很容易受到损伤,因此运算放大器的瞬态过压抑制显得很重要。下面就运算放大器瞬态过压抑制电路的3种接法进行分析比较:

(1)使用钳位二极管旁路过压电流。大部分运算放大器内部都有嵌位二极管连接到电源的过压保护电路,它旁路尖峰信号到电源。一般来说这些二极管就可以足够处理过压抑制了,但是为了保险起见最好从外部在电源端再加上钳位二极管。当出现过压时,内部和外部二极管可以共同分担过压电流,这样就减少或消除了流入放大器的过压电流(图3)。这种接法意味着电源必须吸收电流,而实际上很多电源不能吸收电流,如果没有过压抑制,电源电压将会上升,从而引起器件损坏。

图3 使用钳位二极管旁路过压电流

(2)使用齐纳二极管作为过压抑制器,利用限流电阻将过压电流旁路到地,如图4所示。需要注意的是只有当齐纳电压低于电源电压时放大器内部的二极管才不会导通,抑制电路才会起作用。通常齐纳二极管的反向漏电流要大于硅二极管,反向电流会随着电压接近击穿电压而迅速增大,如果输入信号摆幅很大,反向电流与电压的关系就会出现非线性。另外,齐纳二极管的电容也随着电压而变化,而且它的电容要比硅二极管的大。齐纳二极管过大的泄漏电流和电容会导致运算放大器失真和带宽降低,从而影响了原电路的工作性能。

图4 使用齐纳二极管作为过压抑制器

(3)采用并联齐纳二极管以及串联硅二极管的方式(图5),这样可以改善第二种接法的带宽降低和漏电流过大等特性。此时,输入信号源的总电容降为2×CR,漏电流也降为硅二极管的水平。这种抑制电路结构弥补了上述两种的不足,是三种接法中最优的。值得一提的是,这种接法也适合于反相放大器。

图5 采用并联齐纳二极管以及串联硅二极管

总结

瞬态干扰抑制是PCB设计的核心问题,PCB的设计质量对抗瞬态干扰能力影响很大,它不仅直接影响电子产品的可靠性,还关系到产品的稳定性。而最有效的瞬态干扰抑制措施是分流,利用干扰抑制器件组成的抑制电路能够将瞬态过压在非常短的时间内与大地短接,使干扰能量旁路到地,达到消除瞬态过压、过流的目的,避免了瞬态干扰信号对PCB造成“硬损伤”。

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