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印制电路板的抗干扰设计

文章出自：http://www.greattong.com
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，详细介绍了在设计和装配印制电路板时可采取的抗干扰措施。 　　
　
一、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PCB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PCB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。PCB板的噪声抑制应从设计阶段开始，贯穿于电路原理图设计、PCB板图设绘、元器件选用、PCB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PCB板时应该如何有效地抑制噪声。

二、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；PCB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PCB板背面(焊接面)，或将PCB板夹在两块铝板或铁板之间。接地板安装时尽量靠近PCB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”PCB板。若想追求更好的抑制效果，可将PCB板装在完全屏蔽的金属盒中，使其不产生、不响应噪声。

三、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，PCB板上铜箔导线的布局及相邻导线间的串扰等因素会决定PCB板的抗扰度，合理布线可使PCB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PCB板的可靠性。

四、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格子形状，而不用梳子形状，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，宜将地线设计成封闭环路，这种环路无电位差，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PCB板两面边缘。当PCB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，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。

五、正确运用抗扰器件

　　进行PCB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。

六、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PCB板上的器件。首先应根据需要确定PCB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PCB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PCB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。

七、合理布置PCB板间配线

　　板间配线会直接影响PCB板的噪声敏感度，因此，在PCB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。

八、结语

　　一般而言，使用以上的基本抗干扰措施，可消除PCB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.
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