PCB布線抗干擾的一些原則
(2012-11-22 22:01:06)
在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,,為了少走彎路和節(jié)省時(shí)間,,應(yīng)充分考慮并滿足抗干擾性 的要求,避免在
設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施,。形成干擾的基本要素有三個(gè):
(1)干擾源,,指產(chǎn)生干擾的元件、設(shè)備或信號(hào),,用數(shù)學(xué)語言描述如下:du/dt,, di/dt大的地
方就是干擾源。如:雷電,、繼電器,、可控硅、電機(jī),、高頻時(shí)鐘等都可 能成為干擾源。
(2)傳播路徑,,指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介,。典型的干擾傳 播路徑是通過
導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。
(3)敏感器件,,指容易被干擾的對(duì)象,。如:A/D、D/A變換器,,單片機(jī),,數(shù)字IC, 弱信號(hào)放大
器等,。
抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是:抑制干擾源,,切斷干擾傳播路徑,提高敏感器件的 抗干擾性能,。
(類似于傳染病的預(yù)防)
1 抑制干擾源
抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt,,di/dt。這是抗干擾設(shè)計(jì)中最優(yōu) 先考慮和最重要
的原則,,常常會(huì)起到事半功倍的效果,。
減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容
來實(shí)現(xiàn)。減小干擾源的
di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)。
抑制干擾源的常用措施如下:
(1)繼電器線圈增加續(xù)流二極管,,消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾,。僅加 續(xù)流二極管會(huì)
使繼電器的斷開時(shí)間滯后,增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時(shí)間內(nèi)可動(dòng)作更多的次數(shù),。
(2)在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路(一般是RC串聯(lián)電路,,電阻一般選幾K 到幾十K,電
容選0.01uF),,減小電火花影響,。
(3)給電機(jī)加濾波電路,注意電容,、電感引線要盡量短,。
(4)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01μF~0.1μF高頻電容,以減小IC對(duì)電源的 影響,。注意
高頻電容的布線,,連線應(yīng)靠近電源端并盡量粗短,否則,,等于增大了電 容的等效串聯(lián)電
阻,,會(huì)影響濾波效果。
(5)布線時(shí)避免90度折線,,減少高頻噪聲發(fā)射,。
(6)可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅產(chǎn)生的噪聲(這個(gè)噪聲嚴(yán)重時(shí)可能 會(huì)把可控硅
擊穿的),。
按干擾的傳播路徑可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類,。
所謂傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和 有用信號(hào)的頻帶不同,,可
以通過在導(dǎo)線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾 噪聲的傳播,,有時(shí)也可加隔離光耦來解決。電
源噪聲的危害最大,,
要特別注意處理,。 所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干
擾。
一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離,,用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽
罩,。
2 切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:
(1)充分考慮電源對(duì)單片機(jī)的影響。電源做得好,,整個(gè)電路的抗干擾就解決了一大半,。許多單
片機(jī)對(duì)電源噪聲很敏感, 要給單片機(jī)電源加濾波電路或穩(wěn)壓器,以減小電源噪聲對(duì)單片機(jī)
的干擾,。比如,,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,,當(dāng)然條件要求不高時(shí)也可用100Ω
電阻代替磁珠。
(2)如果單片機(jī)的I/O口用來控制電機(jī)等噪聲器件,,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π
形濾波電路),。 控制電機(jī)等噪聲器件,在I/O口與噪聲源之間應(yīng)加隔離(增加π形濾波
電路),。
(3)注意晶振布線,。晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近,用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來,,晶振外殼接地
并固定,。此措施可解決許多疑難問題。
(4)電路板合理分區(qū),,如強(qiáng),、弱信號(hào),數(shù)字,、模擬信號(hào),。盡可能把干擾源 (如電機(jī),繼電
器)與敏感元件(如單片機(jī))遠(yuǎn)離,。
(5)用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離,,數(shù)字地與模擬地要分離,最后在一點(diǎn)接于電源地,。A/D,、
D/A芯片布線也以此為原則,廠家分配A/D,、D/A芯片 引腳排列時(shí)已考慮此要求,。
(6)單片機(jī)和大功率器件的地線要單獨(dú)接地,以減小相互干擾,。 大功率器件盡可能放在電路
板邊緣。
(7)在單片機(jī)I/O口,,電源線,,電路板連接線等關(guān)鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環(huán),、電
源濾波器,,屏蔽罩,可顯著提高電路的抗干擾性能,。
3 提高敏感器件的抗干擾性能
提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對(duì)干擾噪聲 的拾取,,以及從不
正常狀態(tài)盡快恢復(fù)的方法。
提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下:
(1)布線時(shí)盡量減少回路環(huán)的面積,,以降低感應(yīng)噪聲,。
(2)布線時(shí),,電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外,,更重要的是降低耦 合噪聲,。
(3)對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口,不要懸空,,要接地或接電源,。其它IC的閑置 端在不改變系統(tǒng)
邏輯的情況下接地或接電源。
(4)對(duì)單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路,,如:IMP809,,IMP706,IMP813,,X25043,,X25045
等,可大幅度提高整個(gè)電路的抗干擾性能,。
(5)在速度能滿足要求的前提下,,盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字 電路。
(6)IC器件盡量直接焊在電路板上,,少用IC座,。
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為了達(dá)到很好的抗干擾,于是我們??吹絇CB板上有地分割的布線方式,。但是也不是所有的數(shù)字電路和模擬電路混合都一定要進(jìn)行地平面分割。因?yàn)檫@樣分割是為了降低噪聲的干擾,。
理論:在數(shù)字電路中一般的頻率會(huì)比模擬電路中的頻率要高,,而且它們本身的信號(hào)會(huì)跟地平面形成一個(gè)回流(因?yàn)樵谛盘?hào)傳輸中,銅線與銅線之間存在著各種各樣的
電感和分布電容),,如果我們把地線混合在一起,,那么這個(gè)回流就會(huì)在數(shù)字和模擬電路中相互串?dāng)_。而我們分開就是讓它們只在自己本身內(nèi)部形成一個(gè)回流,。它們之
間只用一個(gè)零歐電阻或是磁珠連接起來就是因?yàn)樵瓉硭鼈兙褪峭粋€(gè)物理意義的地,,現(xiàn)在布線把它們分開了,最后還應(yīng)該把它們連接起來,。
如何分析它們是屬于數(shù)字部分呢還是模擬部分,?這個(gè)問題常常是我們?cè)诰唧w畫PCB時(shí)得考濾的。我個(gè)人的看法是要判斷一個(gè)元件是屬于模擬的,,還是數(shù)字的
關(guān)鍵是看與它相關(guān)的主要芯片是數(shù)字的還是模擬的,。比如:電源它可能給模擬電路供電,那它就是模擬部分的,,如果它是給單片機(jī)或是數(shù)據(jù)類芯片供電,,那它就是數(shù)
字的,。當(dāng)它們是同一個(gè)電源時(shí)就需要用一個(gè)橋的方法把一個(gè)電源從另一個(gè)部分引過來。最典形的就是D/A了,,它應(yīng)該是一個(gè)一半是數(shù)字,,一半是模擬的芯片。我認(rèn)
為如果能把數(shù)字輸入處理好后,,剩下的就可以畫到模擬部分去了,。
1模擬地和數(shù)字地之間鏈接
(1)模擬地和數(shù)字地間串接電感一般取值多大?
(2)用0歐電阻是最佳選擇
(1)可保證直流電位相等,、(2)單點(diǎn)接地(限制噪聲),、(3)對(duì)所有頻率的噪聲都有衰減作用(0歐也有阻抗,而且電流路徑狹窄,,可以限制噪聲電流通過),。
磁珠相當(dāng)于帶阻陷波器,只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有抑制作用,,如果不能預(yù)知噪點(diǎn),,如何選擇型號(hào),況且,,噪點(diǎn)頻率也不一定固定,,故磁珠不是一個(gè)好的選擇。
電容不通直流,,會(huì)導(dǎo)致壓差和靜電積累,,摸機(jī)殼會(huì)麻手。如果把電容和磁珠并聯(lián),,就是畫蛇添足,,因?yàn)榇胖橥ㄖ保娙輰⑹?。串?lián)的話就顯得不倫不類,。
電感特性不穩(wěn)定,離散分布參數(shù)不好控制,,體積大,。電感也是陷波,LC諧振(分布電容),,對(duì)噪點(diǎn)有特效。
總之,,關(guān)鍵是模擬地和數(shù)字地要一點(diǎn)接地,。
建議,不同種類地之間用0歐電阻相連,;電源引入高頻器件時(shí)用磁珠,;高頻信號(hào)線耦合用小電容,;電感用在大功率低頻上。
數(shù)字地和模擬地處理的基本原則如下:
1),、若為低頻模擬,,加粗和縮短地線;單點(diǎn)接地,,可有效防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間的互相干擾,。而高頻和數(shù)字,地線的電感效應(yīng)較嚴(yán)重,,單點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致實(shí)際地線加長(zhǎng),,故應(yīng)多點(diǎn)接地和單點(diǎn)接地相結(jié)合。
2),、高頻還應(yīng)考慮如何抑制高頻輻射噪聲,。方法如下:應(yīng)盡量加粗地線,以降低噪聲對(duì)地阻抗,;大面積(滿)接地,,即除傳輸信號(hào)及電源的印制線以外,其余部分全覆銅作為地線,,但不要留有死的無用大面積銅箔,。
3)、地線應(yīng)構(gòu)成環(huán)路,,以防止產(chǎn)生高頻輻射噪聲,,但環(huán)路面積不可過大,以免產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流,。注意若為低頻,,則應(yīng)避免地線環(huán)路。
4),、數(shù)字電源和模擬電源最好隔離,,地線分開布置,如果有A/D轉(zhuǎn)換,,則只在盡量靠近該器件處單點(diǎn)接地,。
1)、若為低頻模擬,,加粗和縮短地線,;單點(diǎn)接地,可有效防止由于地線公共阻抗而導(dǎo)致的部件之間的互相干擾,。而高頻和數(shù)字,,地線的電感效應(yīng)較嚴(yán)重,單點(diǎn)接地會(huì)導(dǎo)致實(shí)際地線加長(zhǎng),,故應(yīng)多點(diǎn)接地和單點(diǎn)接地相結(jié)合,。
2),、高頻還應(yīng)考慮如何抑制高頻輻射噪聲。方法如下:應(yīng)盡量加粗地線,,以降低噪聲對(duì)地阻抗,;大面積(滿)接地,即除傳輸信號(hào)及電源的印制線以外,,其余部分全覆銅作為地線,,但不要留有死的無用大面積銅箔。
3),、地線應(yīng)構(gòu)成環(huán)路,,以防止產(chǎn)生高頻輻射噪聲,但環(huán)路面積不可過大,,以免產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流,。注意若為低頻,則應(yīng)避免地線環(huán)路,。
4),、數(shù)字電源和模擬電源最好隔離,地線分開布置,,如果有A/D轉(zhuǎn)換,,則只在盡量靠近該器件處單點(diǎn)接地。
數(shù)字地模擬地的布局原則及布線規(guī)則
如何降低數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)間的相互干擾呢,?在設(shè)計(jì)之前必須了解電磁兼容(EMC)的兩個(gè)基本原則:第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積,;第二個(gè)原則是系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面。相反,,如果系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面,,就可能形成一個(gè)偶極天線(注:小型偶極天線的輻射大小與線的長(zhǎng)度、流過的電流大小以及頻率成正比),;而如果信號(hào)不能通過盡可能小的環(huán)路返回,,就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線(注:小型環(huán)狀天線的輻射大小與環(huán)路面積、流過環(huán)路的電流大小以及頻率的平方成正比),。在設(shè)計(jì)中要盡可能避免這兩種情況,。
有人建議將混合信號(hào)電路板上的數(shù)字地和模擬地分割開,這樣能實(shí)現(xiàn)數(shù)字地和模擬地之間的隔離,。盡管這種方法可行,,但是存在很多潛在的問題,在復(fù)雜的大型系統(tǒng)中問題尤其突出,。最關(guān)鍵的問題是不能跨越分割間隙布線,,一旦跨越了分割間隙布線,電磁輻射和信號(hào)串?dāng)_都會(huì)急劇增加。在PCB設(shè)計(jì)中最常見的問題就是信號(hào)線跨越分割地或電源而產(chǎn)生EMI問題,。
如圖1所示,我們采用上述分割方法,,而且信號(hào)線跨越了兩個(gè)地之間的間隙,,信號(hào)電流的返回路徑是什么呢?假定被分割的兩個(gè)地在某處連接在一起(通常情況下是在某個(gè)位置單點(diǎn)連接),,在這種情況下,,地電流將會(huì)形成一個(gè)大的環(huán)路。流經(jīng)大環(huán)路的高頻電流會(huì)產(chǎn)生輻射和很高的地電感,,如果流過大環(huán)路的是低電平模擬電流,,該電流很容易受到外部信號(hào)干擾。最糟糕的是當(dāng)把分割地在電源處連接在一起時(shí),,將形成一個(gè)非常大的電流環(huán)路,。另外,模擬地和數(shù)字地通過一個(gè)長(zhǎng)導(dǎo)線連接在一起會(huì)構(gòu)成偶極天線,。
了解電流回流到地的路徑和方式是優(yōu)化混合信號(hào)電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。許多設(shè)計(jì)工程師僅僅考慮信號(hào)電流從哪兒流過,而忽略了電流的具體路徑,。如果必須對(duì)地線層進(jìn)行分割,,而且必須通過分割之間的間隙布線,可以先在被分割的地之間進(jìn)行單點(diǎn)連接,,形成兩個(gè)地之間的連接橋,,然后通過該連接橋布線。這樣,,在每一個(gè)信號(hào)線的下方都能夠提供一個(gè)直接的電流回流路徑,,從而使形成的環(huán)路面積很小。
采用光隔離器件或變壓器也能實(shí)現(xiàn)信號(hào)跨越分割間隙,。對(duì)于前者,,跨越分割間隙的是光信號(hào);在采用變壓器的情況下,,跨越分割間隙的是磁場(chǎng),。還有一種可行的辦法是采用差分信號(hào):信號(hào)從一條線流入從另外一條信號(hào)線返回,這種情況下,,不需要地作為回流路徑,。
要深入探討數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾必須先了解高頻電流的特性。高頻電流總是選擇阻抗最小(電感最低),,直接位于信號(hào)下方的路徑,,因此返回電流會(huì)流過鄰近的電路層,而無論這個(gè)臨近層是電源層還是地線層。
在實(shí)際工作中一般傾向于使用統(tǒng)一地,,而將PCB分區(qū)為模擬部分和數(shù)字部分,。模擬信號(hào)在電路板所有層的模擬區(qū)內(nèi)布線,而數(shù)字信號(hào)在數(shù)字電路區(qū)內(nèi)布線,。在這種情況下,,數(shù)字信號(hào)返回電流不會(huì)流入到模擬信號(hào)的地。
只有將數(shù)字信號(hào)布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號(hào)布線在電路板的數(shù)字部分之上時(shí),,才會(huì)出現(xiàn)數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾,。出現(xiàn)這種問題并不是因?yàn)闆]有分割地,真正的原因是數(shù)字信號(hào)的布線不適當(dāng),。
PCB設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一地,,通過數(shù)字電路和模擬電路分區(qū)以及合適的信號(hào)布線,通??梢越鉀Q一些比較困難的布局布線問題,,同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生因地分割帶來的一些潛在的麻煩。在這種情況下,,元器件的布局和分區(qū)就成為決定設(shè)計(jì)優(yōu)劣的關(guān)鍵,。如果布局布線合理,數(shù)字地電流將限制在電路板的數(shù)字部分,,不會(huì)干擾模擬信號(hào),。對(duì)于這樣的布線必須仔細(xì)地檢查和核對(duì),要保證百分之百遵守布線規(guī)則,。否則,,一條信號(hào)線走線不當(dāng)就會(huì)徹底破壞一個(gè)本來非常不錯(cuò)的電路板。
在將A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字地管腳連接在一起時(shí),,大多數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器廠商會(huì)建議:將AGND和DGND管腳通過最短的引線連接到同一個(gè)低阻抗的地上(注:因?yàn)榇蠖鄶?shù)A/D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部沒有將模擬地和數(shù)字地連接在一起,,必須通過外部管腳實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字地的連接),任何與DGND連接的外部阻抗都會(huì)通過寄生電容將更多的數(shù)字噪聲耦合到IC內(nèi)部的模擬電路上,。按照這個(gè)建議,,需要把A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND管腳都連接到模擬地上,但這種方法會(huì)產(chǎn)生諸如數(shù)字信號(hào)去耦電容的接地端應(yīng)該接到模擬地還是數(shù)字地的問題,。
如果系統(tǒng)僅有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器,,上面的問題就很容易解決。如圖3中所示,,將地分割開,,在A/D轉(zhuǎn)換器下面把模擬地和數(shù)字地部分連接在一起。采取該方法時(shí),,必須保證兩個(gè)地之間的連接橋?qū)挾扰cIC等寬,,并且任何信號(hào)線都不能跨越分割間隙,。
如果系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器較多,例如10個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器怎樣連接呢,?如果在每一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的下面都將模擬地和數(shù)字地連接在一起,,則產(chǎn)生多點(diǎn)相連,模擬地和數(shù)字地之間的隔離就毫無意義,。而如果不這樣連接,,就違反了廠商的要求。
最好的辦法是開始時(shí)就用統(tǒng)一地,。如圖4所示,將統(tǒng)一的地分為模擬部分和數(shù)字部分,。這樣的布局布線既滿足了IC器件廠商對(duì)模擬地和數(shù)字地管腳低阻抗連接的要求,,同時(shí)又不會(huì)形成環(huán)路天線或偶極天線而產(chǎn)生EMC問題。
如果對(duì)混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一地的做法心存疑慮,,可以采用地線層分割的方法對(duì)整個(gè)電路板布局布線,,在設(shè)計(jì)時(shí)注意盡量使電路板在后邊實(shí)驗(yàn)時(shí)易于用間距小于1/2英寸的跳線或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區(qū)和布線,,確保在所有的層上沒有數(shù)字信號(hào)線位于模擬部分之上,,也沒有任何模擬信號(hào)線位于數(shù)字部分之上。而且,,任何信號(hào)線都不能跨越地間隙或是分割電源之間的間隙,。要測(cè)試該電路板的功能和EMC性能,然后將兩個(gè)地通過0歐姆電阻或跳線連接在一起,,重新測(cè)試該電路板的功能和EMC性能,。比較測(cè)試結(jié)果,會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎在所有的情況下,,統(tǒng)一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更優(yōu)越,。
分割地的方法還有用嗎?
在以下三種情況可以用到這種方法:一些醫(yī)療設(shè)備要求在與病人連接的電路和系統(tǒng)之間的漏電流很低,;一些工業(yè)過程控制設(shè)備的輸出可能連接到噪聲很大而且功率高的機(jī)電設(shè)備上,;另外一種情況就是在PCB的布局受到特定限制時(shí)。
在混合信號(hào)PCB板上通常有獨(dú)立的數(shù)字和模擬電源,,能夠而且應(yīng)該采用分割電源面,。但是緊鄰電源層的信號(hào)線不能跨越電源之間的間隙,而所有跨越該間隙的信號(hào)線都必須位于緊鄰大面積地的電路層上,。在有些情況下,,將模擬電源以PCB連接線而不是一個(gè)面來設(shè)計(jì)可以避免電源面的分割問題。
混合信號(hào)PCB設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程,,設(shè)計(jì)過程要注意以下幾點(diǎn):
1.將PCB分區(qū)為獨(dú)立的模擬部分和數(shù)字部分,。 2.合適的元器件布局。 3.A/D轉(zhuǎn)換器跨分區(qū)放置。
4.不要對(duì)地進(jìn)行分割,。在電路板的模擬部分和數(shù)字部分下面敷設(shè)統(tǒng)一地,。 5.在電路板的所有層中,數(shù)字信號(hào)只能在電路板的數(shù)字部分布線,。
6.在電路板的所有層中,,模擬信號(hào)只能在電路板的模擬部分布線。 7.實(shí)現(xiàn)模擬和數(shù)字電源分割,。 8.布線不能跨越分割電源面之間的間隙,。
9.必須跨越分割電源之間間隙的信號(hào)線要位于緊鄰大面積地的布線層上。 10.分析返回地電流實(shí)際流過的路徑和方式,。
11.采用正確的布線規(guī)則.數(shù)字地模擬地的布局原則及布線規(guī)則
問題:
回答:
磁珠的等效電路相當(dāng)于帶阻限波器,,只對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)的噪聲有顯著抑制作用,使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)噪點(diǎn)頻率,,以便選用適當(dāng)型號(hào),。對(duì)于頻率不確定或無法預(yù)知的情況,磁珠不合,。
電容隔直通交,,造成浮地(模擬地和數(shù)字地沒有接在一起,存在壓差,,容易積累電荷,,造成靜電)。電感體積大,,雜散參數(shù)多,,不穩(wěn)定。
0歐電阻相當(dāng)于很窄的電流通路,,能夠有效地限制環(huán)路電流,,使噪聲得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗),,這點(diǎn)比磁珠強(qiáng),。
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