PCB布线技术中的抗干扰设计

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摘要:本文通过几个典型的例子分析了各种干扰产生的途径和原因,介绍了PCB(PrintingCircuitBoard)设计中的一些特殊规则及抗干扰设计的要求。

关键词:布线技术;电磁干扰;PCB PROTEL软件

随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高,电子系统的工作频率也越来越高;模拟电路、数字电路、大规模的集成电路和大功率电路的混合使用以及电子设备的工作带宽越来越宽,灵敏度越来越高;并随着网络技术的应用,连接各设备之间的电缆和空间联网也越来越复杂。实践证明,当我们在使用PROTEL软件制板时,尽管制定了相关的设计规则及约束条件。在进行自动布局和自动布线时,仍然出现印刷电路板设计不当,并对系统的可靠性产生不良影响。因此,要使电子系统获得最佳性能,在使用PROTEL软件制板时,必须采用自动与手动相结合。并应遵循设计的一般及特殊规则。

元器件布线

1.尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近,输入和输出元件应远离。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行,最好加上线间地线,以免发生反馈耦合。如:同相放大器的输入输出端一靠近(图1),则在它们之间就会产生寄生电容。这样,由于该电容而形成了输出返回到输入的正反馈环路,最终引起振荡。这种振荡与输入信号无关,即使在没有输入时也会发生。



图1输入输出端耦合产生的异常现象



振荡频率由同相放大器的电路结构和寄生电容的大小等因素决定。实际上,大部分为1MHz以上。还有,随着寄生电容的大小变化,不仅仅产生电路的振荡,甚至发生工作不稳定和特性变坏的情况。而在反相放大器中,如图2所示,由于米勒效应引起高频特性变坏。设反相放大器的增益为A,输入输出间的寄生电容为C。由于米勒效应,从输入端可以看成输入与GND之间加入了(A+1)C的电容。如果信号源电阻Rg非常低,则是可以的。然而,如果Rg很高,则该Rg与米勒电容(A+1)C就会形成LPF(低通滤波器),使得高频特性下降。因此,无论是正相放大器还是反相放大器,其输入输出端都不允许靠得太近,特别在增益高或在宽带放大器中更要特别注意。不仅对于一级放大器,对于多级放大器也同样要注意这个问题。




图2米勒效应引起的高频特性



2.某些元器件或导线之间可能有较高的电位差,应加大它们之间的距离,以免放电引起意外短路。带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。如同放大器的输入输出那样,不仅对于相同系统的信号线,对于搭载相互独立的信号线也一样,在其电平差大时(30~40dB以上),都不允许靠近。即使仅流过直流电流,在其电压高或电流大时,也不许靠近微小信号线。如图3所示,将两根线靠近看一下。设A线上搭载电源纹波(50Hz)1Vp-p,B线上搭载lmVp-p的微弱的信号,两者电平差有1000倍(60dB)之多。在电源存在纹波的情况下,由于频率低,静电耦合是没有问题的。但由于电磁耦合,A的电源波纹泄漏到B。情况严重者会发生振荡等异常现象。



图3电平差大的线在靠近时



3.滤波电路中的电解电容器,在电路图中,即使连接是相同的,但布线次序有错误,也不能得到所希望的电源波纹。图4是为便于理解而画出的图。




图4滤波电容的布线方法



首先来分析图4(a),负载电路的布线是由整流二极管引出来的。滤波电容的布线与负载电路的布线不同,也是从整流二极管引出来的。当进行这样的布线时,负载电流不通过滤波电容,而直接流到负载电路,所以不能获得所希望的电源波纹。负载电流越大、滤波电容的容量越大、由整流二极管到滤波电容的布线越细长时,这种倾向变得越严重。

图4(b)该负载电路的布线是由整流二极管引出来、并通过滤波电容来进行的。这样,负载电流一定通过滤波电容流动,也就消除了图4(a)那样的麻烦。如果考虑到电流的流动,上述方法的效果是很明显的。这种方法,不仅对滤波电容,而且对电源旁路电容也一样有效。

4.考虑电流环路。简单而言,电流环路其对象范围很广,而且概念也很模糊。但是,其考虑方法却是简单的。在考虑电流的流动时,一定有去路和回 路。由其去路和回路所形成的电流环路的面积要尽可能的小。对于电源线和信号线来讲都是如此,图5(a)是不好的例子,由电流的去路与回路所形成的环路非常大。电源线的环路大,因其波纹等原因有可能对其他电路产生不良的影响。



图5缩小电源线的环路



现将该环路变小,如图5(b)所示。由于这样做,使环路变小,故而对其他电路的影响也就变小。还有,称两根绞在一起的导线为绞线。即使不弄成绞线,而将两根导线平行地放置也会对缩小电源线环路面积起到有一定的效果。

5.电容的一般配置原则
1)电源输入端跨接10μF~100μF的电解电容器。如有可能,接100μF以上的更好。

2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够,可每(4个~8个)芯片布置一个1pF~10pF的钽电容。

3)对于抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAM、ROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退耦电容。

4)电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。

5)在印刷板中有接触器、继电器、按钮等元件时,操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取1kΩ~2kΩ,C取
2.2μF~47μF。

6)CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时,对不用端要接地或接正电源。

6.振荡器
几乎所有的电子系统都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。振荡是一个辐射的发射源。其周期性波形的输出通过印制板连线输到负载,并取决于印制板的布图、元件的布局、连线、去耦、阻抗控制和其他被消除或减少的有关项目。在PCB上,要求外接电容、晶体或陶瓷谐振器的引线越短越好。RC振荡器对干扰信号有潜在的敏感性,它能产生很短的时钟周期,因而最好选晶体或陶瓷谐振器.另外,石英晶体的外壳要接地。

一般导线及焊盘布线

1.印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5mm、宽度为1mm~15mm时,通过2A的电流,温升不会高于3℃。因此,导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02mm~0.3mm导线宽度。当然,只要允许,还是尽可能用宽线,尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,可使间距小于0.1mm~0.2mm。

2.印刷导线拐弯处一般取圆弧,而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外,尽量避免使用大面积铜箔,否则,长时间受热时,易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时,最好用栅格状,这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。

3.焊盘中心也要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于(d+1.2)mm,其中d为引线孔径。对高密度的数字电路,焊盘最小直径可取(d+1.0)mm。

电源线及地线设计

1.根据印刷线路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻,同时,使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。

2.在小信号电路与大电流电路做在一起的电路中,必须将GND明显地区分开来。布线方法为将小信号GND与大电流的GND进行分离,通常使用两根引线的GND。使大电流不在布线电阻上流动,从而不产生干扰,如像功率放大级和负载那样,将大电流流动的部分由电源直接进行布线。还有,将小信号部分进行汇总,也直接由电源进行布线。如果这样做,小信号线与大电流线完全分离,再将汇总的小信号GND与功率放大级的GND相连接。

当电路简单时,可将电源所供给的电路汇总成一个。但是当电路变得复杂时,就要分成几个基板(模块),电源的数目仍不变,还为1个。就其布线方法来看,若各基板电源及地线拥有公共布线电阻,任何一个基板上的电流发生变动,都影响到其他的基板。与此相反,若将其各个基板电源GND的布线分别由电源引出。这样,各自都有布线电阻,即使因电流变化而产生电压降,它仅停留在该基板上,而不会对其他基板产生影响。

3.正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中,信号的工作频率小于1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地的方式。当信号工作频率大于10MHz时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。当工作频率在 1MHz~10MHz时,如果采用一点接地,其地线
长度不应超过波长的1/20,否则应采用多点接地法。

4.数字地与模拟地分开。电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地;高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗。高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔,要尽量加大线性电路的接地面积。

5.接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条,则接地电位会随电流的变化而变化,致使电子产品的定时信号电平不稳,抗噪声性能降低。因此应将接地线尽量加粗,使它能通过三倍于印刷电路板的允许电流。如有可能,接地线的宽度应大于3mm。

6.接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印刷电路板的地线系统时,将接地线做成闭路可以明显地提高抗噪声能力。其原因在于:印刷电路板上有很多集成电路元件,尤其遇有耗电多的元件时,因受接地线粗细的限制,会在地线上产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降;若将接地线构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

结束语

电磁干扰已成为线路设计所面临的主要问题之一,PCB布线设计中的抗干扰是一项实践性非常强的技术工作。元件间的合理布局、增大布线间距、短线连接、减少布线过程中的过孔设置、降低连线的特性阻抗、避免多频率交调影响等是减少电磁干扰的有效方法。良好的PCB设计可以大大提高系统的抗干扰能力,从而提高系统可靠性。