Mechatronics 版 (精华区)

发信人: mingwei (风清杨), 信区: Mechatronics
标  题: PCB可靠性设计（5）
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年12月04日11:22:20 星期二), 站内信件

在研制带处理器的电子产品时，如何提高抗干扰能力和电磁兼容性？
 
 1、  下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰：
(1)  微控制器时钟频率特别高，总线周期特别快的系统。
(2)  系统含有大功率，大电流驱动电路，如产生火花的继电器，大电
流开关等。
(3)  含微弱模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。

 2、  为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施：

(1)  选用频率低的微控制器：
选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰
能力。同样频率的方波和正弦波，方波中的高频成份比正弦波多得多。
虽然方波的高频成份的波的幅度，比基波小，但频率越高越容易发射
出成为噪声源，微控制器产生的最有影响的高频噪声大约是时钟频率
的3倍。

(2)  减小信号传输中的畸变
微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在
1mA左右，输入电容10PF左右，输入阻抗相当高，高速CMOS电路的输出
端都有相当的带载能力，即相当大的输出值，将一个门的输出端通过
一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端，反射问题就很严重，它会
引起信号畸变，增加系统噪声。当Tpd＞Tr时，就成了一个传输线问
题，必须考虑信号反射，阻抗匹配等问题。    信号在印制板上的延
迟时间与引线的特性阻抗有关，即与印制线路板材料的介电常数有关。
可以粗略地认为，信号在印制板引线的传输速度，约为光速的1/3到
1/2之间。微控制器构成的系统中常用逻辑电话元件的Tr（标准延迟
时间）为3到18ns之间。    在印制线路板上，信号通过一个7W的电阻
和一段25cm长的引线，线上延迟时间大致在4~20ns之间。也就是说，
信号在印刷线路上的引线越短越好，最长不宜超过25cm。而且过孔数
目也应尽量少，最好不多于2个。    当信号的上升时间快于信号延迟
时间，就要按照快电子学处理。此时要考虑传输线的阻抗匹配，对于
一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输，要避免出现Td＞Trd的情
况，印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。
用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则：  信号在印刷板上传输
，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。

(3)  减小信号线间的交叉干扰：
A点一个上升时间为Tr的阶跃信号通过引线AB传向B端。信号在AB线上
的延迟时间是Td。在D点，由于A点信号的向前传输，到达B点后的信
号反射和AB线的延迟，Td时间以后会感应出一个宽度为Tr的页脉冲信
号。在C点，由于AB上信号的传输与反射，会感应出一个宽度为信号
在AB线上的延迟时间的两倍，即2Td的正脉冲信号。这就是信号间的
交叉干扰。干扰信号的强度与C点信号的di/at有关，与线间距离有关。
当两信号线不是很长时，AB上看到的实际是两个脉冲的迭加。
 CMOS工艺制造的微控制由输入阻抗高，噪声高，噪声容限也很高，
数字电路是迭加100~200mv噪声并不影响其工作。若图中AB线是一模
拟信号，这种干扰就变为不能容忍。如印刷线路板为四层板，其中
有一层是大面积的地，或双面板，信号线的反面是大面积的地时，这
种信号间的交叉干扰就会变小。原因是，大面积的地减小了信号线的
特性阻抗，信号在D端的反射大为减小。特性阻抗与信号线到地间的
介质的介电常数的平方成反比，与介质厚度的自然对数成正比。若AB
线为一模拟信号，要避免数字电路信号线CD对AB的干扰，AB线下方要
有大面积的地，AB线到CD线的距离要大于AB线与地距离的2~3倍。可用
局部屏蔽地，在有引结的一面引线左右两侧布以地线。

(4)  减小来自电源的噪声
电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电
路中微控制器的复位线，中断线，以及其它一些控制线最容易受外界
噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路，即使电池供电的系
统，电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号更经受不住来自
电源的干扰。

(5)  注意印刷线板与元器件的高频特性
在高频情况下，印刷线路板上的引线，过孔，电阻、电容、接插件的
分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略，电感的分布
电容不可忽略。电阻产生对高频信号的反射，引线的分布电容会起作
用，当长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声
通过引线向外发射。  印刷线路板的过孔大约引起0.6pf的电容。
一个集成电路本身的封装材料引入2~6pf电容。    一个线路板上的接
插件，有520nH的分布电感。一个双列直扦的24引脚集成电路扦座，引
入4~18nH的分布电感。    这些小的分布参数对于这行较低频率下的
微控制器系统中是可以忽略不计的；而对于高速系统必须予以特别注
意。

(6)  元件布置要合理分区
元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，原则之
一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分，高
速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）这三部分
合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。

G  处理好接地线
印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服电磁干扰，最主要的手段
就是接地。    对于双面板，地线布置特别讲究，通过采用单点接地
法，电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点
，地一个接点。印刷线路板上，要有多个返回地线，这些都会聚到回
电源的那个接点上，就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功
率器件地开分，是指布线分开，而最后都汇集到这个接地点上来。与
印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字
信号，屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地
为好。    对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路
应该用金属罩屏蔽起来。

(7)  用好去耦电容。
 好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层
陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源
，地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集
成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能
；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为
0.1uf的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右
，也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的
噪声几乎不起作用。    1uf，10uf电容，并行共振频率在20MHz以
上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一
个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统
也需要这种电容。    每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，
或称为蓄放电容，电容大小可选10uf。最好不用电解电容，电解电容
是两层溥膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好
使用胆电容或聚碳酸酝电容。    去耦电容值的选取并不严格，可按
C=1/f计算；即10MHz取0.1uf，对微控制器构成的系统，取0.1~0.01
uf之间都可以。

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