印制電路板的抗干擾設計

1、印制電路板的抗干擾設計摘 要：本文以印制電路板的電磁兼容性為核心，分析了電磁干擾的產(chǎn)生機理，詳細介紹了在設計和裝配印制電路板時可采取的抗干擾措施。關(guān)鍵詞：印制電路板；干擾；噪聲；電磁兼容性引言印制電路板的設計質(zhì)量不僅直接影響到電子產(chǎn)品的可靠性，還關(guān)系到產(chǎn)品的穩(wěn)定性，甚至是設計成敗的關(guān)鍵。因此，在設繪印制板圖時，除了要為電路中的元器件提供正確無誤的電氣連接外，還應充分考慮印制板的抗干擾性?；陔姶偶嫒菪栽瓌t，抗干擾設計應包括三個方面：一是抑制噪聲源，二是切斷噪聲傳遞途徑，三是降低受擾設備的噪聲敏感度。印制板的噪聲抑制應從設計階段開始，貫穿于電路原理圖設計、印制板圖設繪、元器件選用、印制板安裝引線

2、等一系列環(huán)節(jié)中。雖然各環(huán)節(jié)側(cè)重不一，但又彼此呼應，都應認真對待。本文主要介紹在設計印制板時應該如何有效地抑制噪聲。減少輻射噪聲印制電路板在工作時會向外輻射噪聲而成為噪聲源：電路板中信號線經(jīng)接地回路傳送到機殼，引起諧振，由機殼向外輻射強烈噪聲；電路板信號經(jīng)過信號電纜向外輻射噪聲；電路板本身也直接向外輻射噪聲。為削弱噪聲輻射，可作如下處理：(1)慎重選用器件。選用時需注意元器件的老化問題，并挑選熱反饋影響小的器件。對高頻電路，應選用適宜的芯片，以減少電路輻射。在選擇邏輯器件時，要充分考慮其噪聲容限指標：當單純考慮電路的噪聲容限時，最好用HTL，若兼顧功耗，則用VDD15V的CMOS為宜。(2)使用

3、多層印制電路板。這樣可從結(jié)構(gòu)上獲得理想的屏蔽效果：以中間層作電源線或地線，將電源線密封在板內(nèi)，兩面做絕緣處理，可使流經(jīng)上下面的開關(guān)電流彼此不影響；印制板內(nèi)層做成大面積的導電區(qū)，各導線面之間有很大的靜電電容，形成阻抗極低的供電線路，可有效預防電路板輻射和接收噪聲。(3)印制電路板“滿接地”。繪制高頻線路板時，除盡量加粗接地印制導線外，應把電路板上沒被占用的所有面積都作為接地線，使器件更好地就近接地。這樣可以有效降低寄生電感，同時，大面積的地線能有力減少噪聲輻射。(4) 在印制電路板上附加一面或兩面接地板。即用一塊鋁片或鐵片附加在印制板背面(焊接面)，或?qū)⒂≈瓢鍔A在兩塊鋁板或鐵板之間。接地板安裝時

4、盡量靠近印制板，且務必將其接在系統(tǒng)信號的(SG)最佳接地點上，此結(jié)構(gòu)實質(zhì)為簡單易做的“多層”印制板。若想追求更好的抑制效果，可將印制板裝在完全屏蔽的金屬盒中，使其不產(chǎn)生、不響應噪聲。妥善布設印制導線布線是印制電路板設計圖形化的關(guān)鍵階段，設計中考慮的許多因素都應在布線中體現(xiàn)出來，印制板上銅箔導線的布局及相鄰導線間的串擾等因素會決定印制板的抗擾度，合理布線可使印制板獲得最佳性能。從抗干擾性考慮，布線應遵循的設計、工藝原則有：(1)只要滿足布線要求，布線時應優(yōu)先考慮選擇單面板，其次是雙面板、多層板。布線密度應綜合結(jié)構(gòu)及電性能要求等合理選取，力求布線簡單、均勻；導線最小寬度和間距一般不應小于0.2mm

5、，布線密度允許時，適當加寬印制導線及其間距。(2)電路中的主要信號線最好應匯集于板中央，力求靠近地線，或用地線包圍它，信號線、信號回路線所形成的環(huán)路面積要最小；要盡量避免長距離平行布線，電路中電氣互連點間布線力求最短；信號(特別是高頻信號)線的拐角應設計成135走向，或成圓形、圓弧形，切忌畫成90或更小角度形狀。 (3)相鄰布線面導線采取相互垂直、斜交或彎曲走線的形式，以減小寄生耦合；高頻信號導線切忌相互平行，以免發(fā)生信號反饋或串擾，可在兩條平行線間增設一條地線。(4)妥善布設外連信號線，盡量縮短輸入引線，提高輸入端阻抗。對模擬信號輸入線最好加以屏蔽，當板上同時有模擬、數(shù)字信號時，宜將兩者的地

6、線隔離，以免相互干擾。(5)妥善處理邏輯器件的多余輸入端。將與/與非門多余輸入端接“1”(切忌懸空)，或/或非門多余輸入端接Vss，計數(shù)器、寄存器和D觸發(fā)器等空閑置位/復位端經(jīng)適當電阻接Vcc，觸發(fā)器多余輸入端必須接地。(6) 選用標準元器件封裝。如需創(chuàng)建元件封裝時，焊盤孔距應與器件管腳間距一致，以減小引線阻抗及寄生電感。布設導線時應盡量減少金屬化過孔，以提高整塊印制板的可靠性。圖1 電源線和地線的布局抑制電源線和地線阻抗引起的振蕩設計裝配密度很高的電路板應注意降低電源線和地線阻抗，對公共阻抗、串擾和反射等引起的波形畸變和振蕩現(xiàn)象需采取必要措施。當電路板上有較多集成電路器件同時工作時，板上電源

7、電壓和地電位易產(chǎn)生波動，導致信號振蕩，引起電路誤動作。尤其當浪涌電流流過印制導線時，會出現(xiàn)瞬時電壓降，形成電源尖峰噪聲，其中以導線電感引起的干擾為主。在實際設計中，應盡量避免該電感對電路的影響：在各集成電路的電源和地線間分別接入旁路電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑；將電源線和地線設計成如圖2(b)所示的格子形狀，而不用圖2(a)所示的梳子形狀，這是因為格子狀能顯著縮短線路環(huán)路，降低線路阻抗，減少干擾。當印制電路板上裝有多個集成電路，且部分元件功耗較大，地線出現(xiàn)較大電位差，形成公共阻抗干擾時，宜將地線設計成如如圖2(d)所示的封閉環(huán)路，這種環(huán)路無電位差，比圖2(c)所示的方式有更高的噪聲容限；應盡

8、量縮短引線，將各集成電路的GND以最短距離連到電路板入口地線，降低印制導線產(chǎn)生的尖峰脈沖；讓地線、電源線走向與數(shù)據(jù)傳輸方向一致，以提高電路板的噪聲容限。使用大量高速邏輯電路時常采用多層印制電路板，降低接地電位差，減少電源線阻抗和信號線間串擾。當沒有多層板而不得不使用雙面板時，必須盡量加寬地線線條，通常地線應加粗到可通過三倍于導線實際流過的電流量為宜；或采用小型母線方式，將公共電源線和地線盡量分別布于印制板兩面邊緣。當印制板插頭有多個插頭接觸片時，應多備幾個引線插頭作地線使用，如圖2(b)所示，并按總負載電流大小，在插頭處接入110mF的鉭電容器對電源母線去耦，并在去耦電容旁并聯(lián)一個0.010.

9、1mF的高頻陶瓷電容器。正確運用抗擾器件進行印制板的電磁兼容性設計，應根據(jù)噪聲的不同特點，正確選用抗擾器件：用二極管和壓敏電阻等吸收浪涌電壓，用隔離變壓器等隔離電源噪聲，用線路濾波器等濾除一定頻段的干擾信號，用電阻器、電容器、電感器等元件的組合對干擾電壓或電流進行旁路、吸收、隔離、濾除、去耦等處理。如果抗擾器件運用不當，那么不但不能有效減少干擾，甚至還會成為新的干擾源。對電容器的選用和安裝來說，鉭電解電容器在低頻段應用效果好，應裝在電源入口處；陶瓷電容器在高頻段應用效果好，應裝在各集成電路的附近。安裝電容器時，要盡量縮短引線，但不能為求引線短而忽視安裝位置，應將其裝在需要旁路的集成電路的Vcc

10、和GND管腳近處，否則，電容器就毫無旁路意義。當板上信號導線阻抗不匹配時，會發(fā)生多次反射噪聲，在線路終端和始端接入阻抗匹配電阻，可消除干擾。當印制導線較長時，線路電感會導致減幅振蕩，串入阻尼電阻，可抑制振蕩，增強抗干擾能力，改善波形。合理布置器件板上器件布局不當是引發(fā)干擾的重要因素，所以應全面考慮電路結(jié)構(gòu)，合理布置印制板上的器件。首先應根據(jù)需要確定印制板的大小和形狀，尺寸過大會使印制導線加長，阻抗增大，噪聲容限降低；尺寸過小又不利于散熱，鄰近導線、器件易發(fā)生感應。在印制板上布置元器件，原則上應將輸入輸出部分分別布置在板的兩端；電路中相互關(guān)聯(lián)的器件應盡量靠近，以縮短器件間連接導線的距離；工作頻率

11、接近或工作電平相差大的器件應相距遠些，以免相互干擾。如常用的以單片機為核心的小型開發(fā)系統(tǒng)電路，在設繪印制板圖時，宜將時鐘發(fā)生器、振蕩器等易產(chǎn)生噪聲的器件相互靠近布置，讓有關(guān)的邏輯電路部分盡量遠離這類噪聲器件。同時，考慮到電路板在機柜內(nèi)的安裝方式，最好將ROM、RAM、功率輸出器件及電源等易發(fā)熱器件布置在板的邊緣或偏上方部位，以利于散熱。在印制電路板上布置邏輯電路，原則上應在輸出端子附近放置高速電路，如光電隔離器等，在稍遠處放置低速電路和存儲器等，以便處理公共阻抗的耦合、輻射和串擾等問題。在輸入輸出端放置緩沖器，用于板間信號傳送，可有效防止噪聲干擾。電路板上裝有高壓、大功率器件時，與低壓、小功率

12、器件應保持一定間距，盡量分開布線。在大功率、大電流元器件周圍不宜布設熱敏器件或運算放大器等，以免產(chǎn)生感應或溫漂。合理布置板間配線板間配線會直接影響印制板的噪聲敏感度，因此，在印制板聯(lián)裝后，應認真檢查、調(diào)整，對板間配線作合理安排，徹底清除超過額定值的部位，解決設計中遺留的不妥之處。板間配線應注意以下幾點：(1)板間信號線越短越好，且不宜靠近電力線，或可采取兩者相互垂直配線的方式，以減少靜電感應、漏電流的影響，必要時應采取適宜的屏蔽措施；板間接地線需采用“一點接地”方式，切忌使用串聯(lián)型接地，以避免出現(xiàn)電位差。地線電位差會降低設備抗擾度，是時常出現(xiàn)誤動作的原因之一。(2)遠距離傳送的輸入輸出信號應有良好的屏蔽保護，屏蔽線與地應遵循一端接地原則，且僅將易受干擾端屏蔽層接地。應保證柜體電位與傳輸電纜地電位一致。(3)當用扁平電纜傳輸多種電平信號時，應用閑置導線將各種電平信號線分開，并將該閑置導線接地。扁平電纜力求貼近接地底板，若串擾嚴重，可采用雙絞線結(jié)構(gòu)的信號電纜。(4)交流中線(交流地)與直流地嚴格分開，以免相互干擾