基于双面印制板的电磁兼容性设计.doc

基于双面印制板的电磁兼容性设计摘要：从电子系统电磁兼容性角度出发，详细地叙述了双面印制电路板上的元器件的布局、供电线路和信号线路的布线原则；并对双面印制板的自动布线进行讨论。印制电路板(简称印制板)是电子应用系统中元器件、摘要：从电子系统电磁兼容性角度出发，详细地叙述了双面印制电路板上的元器件的布局、供电线路和信号线路的布线原则；并对双面印制板的自动布线进行讨论。 印制电路板(简称印制板)是电子应用系统中元器件、电源线和信号线的高度集合体。印制板设计的好坏对其系统的电磁兼容性的能力有很大的影响，因此印制板的设计决不单是元器件与线路的简单布局、排布，只要有意识加强电磁兼容性设计，才能使其系统的抗干扰能力增强，稳定性提高。 对于常用的单片机系统，时钟频率一般在412 MHz，其余的集成电路多为74HC和74LS系列，若采用单面的印制板，很难满足需要，采用多层的，代价又太大，所以大多采用双面印制板。使用双面印制板时，只要充分地考虑了电磁兼容性问题，是可以满足应用方面要求的。当然，单片机系统的电磁兼容性所涉及的问题是方方面面的。本文只就双面印制板面上单元电路(或元器件)的布局、线路的布置等与电磁兼容性相关问题进行简要地分析，并相应地给出具体措施。1 印制板上单元电路的布局双面印制板上各种单元电路的相互位置，直接影响系统的电磁兼容性。因此对将要使用单元电路的进行甄别就显得很重要。根据单元电路在使用中对电磁兼容性的敏感程度的不同进行分组。分组的目的是为了按组对印制板区间进行分割，让同组元器件放在一起，以便于在空间上保证各组间的元器件不产生相互干扰。一般按工作速度快慢或电源电压的等级进行分组。1.1按工作速度的快慢分组布局单元电路工作频率越高，速度就越快，信号的频谱也就越丰富；高频分量比例越大，对外干扰也就越强。可根据单元电路的工作频率分为高速电路(如微处理器)，中速电路(如显示处理)，低速电路(如接口)和模拟电路(如模拟信号放大器)。多种速度电路在印制板上的布局一般如图1所示。1.2按工作电源电压的等级分组布局一般说来电源电压不同，电路的种类往往不同。例如，数字电路用5v的较多，模拟电路中运算放大器等用12v、15v较多；若用同种电源电压的电路中仍有数字与模拟元器件之分，还可以再分组。不同的电源电压的等级布局如图2所示。注意：不能将电源电压等级不同的元器件交叉重叠，以防止相互串扰。其元器件分布的合理性如图3所示。2 地线和电源线的布置从解决电磁兼容性着眼，印制板上的线，以地线最为重要，所以对双面印制板来说地线要布置得特别合理。2.1采用分类的地线地线分类是根据不同的电源电压、数字与模拟、高速与低速和大电流与小电流等分别设置地线。分类设地的目的是为了防止其地线阻抗耦合干扰。双面印制板用轨线作地线，即使轨线较宽，电感量也不能忽略，高频电流通过时仍有可观的电压降，所以一般采用分地方法。所谓的分地，就是在布线时分开，而最后都汇集到直流电源的一点地上。2.2采用网状结构的地线对于同类单元电路(或元器件)提高电磁兼容性效果的有效方法是采用网状结构地线如图4所示。图中实线为正面轨线，虚线为反面轨线，实线与虚线相互垂直，交叉点处由金属化孔连接。这样电流可以就近回流。图4中的垂直地线可能给正面布线造成一定困难，可用小型母线来替代，并与电源供电线连结起来如图5所示。图中垂直的宽线条代表小型电流母线，可以装卸，便于调度。2.3供电线应与地线配合布置应从两个方面入手，一是尽可能减少供电线路的特性阻抗；二是减小供电回路面积。双面印制板的供电线路是由轨线组成的，为减小供电用轨线对的特性阻抗，供电轨线和地轨线应尽可能地宽，并且利用正反面使它们相互平行靠近，若可能的话相互放置对应面，使供电环路面积减小到最低程度。不同的供电环路不要相互重叠，以便于减小电磁的干扰。2.4退耦电容的配置双面板上采用轨线对供电，除了注意轨线对的走线方式，同时应在每片集成电路旁加容量为0.010.10 uF的高频去耦电容，还应在印制板连接的电源轨线对引入处加一个高频去耦电容和一个容量110 uF（100uf）的低频滤波电容，以进一步提高电源去耦滤波的低频特性。3 信号线的布置3.1 不相容的信号应相互隔离高频与低频、电流大与电流小、数字与模拟信号是不相容的。在考虑了不相容元器件的位置后，在信号线的布置上仍应该注意它们之间的隔离，以免相互之间产生耦合干扰。一般可采取以下措施：(1)不相容的信号线应相互远离，不要平行；分布在正反两面的信号线应相互垂直。以减少线间的电场和磁场的耦合干扰。(2)高速信号线尤其是时钟线应尽可能地短，必要时可在高速信号线的两边加隔离地线。(3)作为单元电路的输入、输出的信号线应布置在各自区域，不要交叉。3.2尽量减小信号环路的面积减小信号环路面积，减少环路的重叠，对于大电流环路抗串扰尤为重要。在双面板上，信号线及其回流线应该紧靠一起布置，最好每条信号线都有自己的回流线，尤其是直流放大器，否则容易给电路造成干扰。4 其它电磁兼容性措施4.1 走线形状不要有缠结和分支或硬拐角因为那样可能会破坏导线特性阻抗的一致性或导致反射和产生谐波或局部高电压引起放电现象。一般优先选用和避免采用的印制导线形状，如图6所示。4.2在敏感元器件接线端头和印制板的边框用地、环保护起来，如图7所示。注意保护环不能充当电流回线，只能单点接地。4.3不要在印制板上留下空白的铜皮层。因为它们既可能充当发射天线，也可能充当接收天线，必须将它们接地。4.4 I/O驱动电路尽可能靠近印制板边，让它们尽快地离开印制板。4.5 闲置不用的门电路输入、输出不要悬空；闲置不用的运算放大器同相输入端要接地，反相输入端接其输出。5 有选择地使用自动布线印制板布线大多采用布线软件来进行自动布线，这是造成印制板电磁兼容性能力下降的主要原因。自动布线软件事先根据人为规定方法进行布线，其布线的原则大多数都是充分利用印制板的面积资源，目前尚未见到有判断识别相邻件或线相容性能力的自动布线软件。由于双面印制板的可用面积资源有限，所以设计者应谨慎使用自动布线，亲自参与一部分布线工作。一般手工操作的有：印制板区域的分割(元器件的布置)；地线与供电线的布置；高速信号线的布置(可首批自动布线)；敏感器件的线及线端保护等。6 结束语本文从实用的角度讨论了双面印制电路设计中的电磁兼容性技术。根据我们多年在单片机系统应用开发中的经验，力求从实用的角度出发，给出了双面印制板设计中的一些相应抗干扰措施。印刷电路板设计原则和抗干扰措施印刷电路板(PC8)是电子产品中电路元件和器件的支撑件它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电于技术的飞速发展，PGB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大因此，在进行PCB设计时必须遵守PCB印刷电路板(PC8)是电子产品中电路元件和器件的支撑件它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电于技术的飞速发展，PGB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大因此，在进行PCB设计时必须遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。PCB设计的一般原则 要使电子电路获得最佳性能，元器件的布且及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB应遵循以下一般原则：1. 布局 首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。在确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：(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，输入和输出元件应尽量远离。(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，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。(3)重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。(4)对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制板上方便于调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。(5)应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根据电路的功能单元对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：(1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。(2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。(3)在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观而且装焊容易易于批量生产。(4)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3：2成4：3。电路板面尺寸大于200x150mm时应考虑电路板所受的机械强度。2布线 布线的原则如下：(1)输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。(2)印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为 0.05mm、宽度为 1 15mm 时通过 2A的电流，温度不会高于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0.020.3mm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，可使间距小至58mm。(3)印制导线拐弯处一般取圆弧形，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 焊盘中心孔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。PCB及电路抗干扰措施印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗干扰设计的几项常用措施做一些说明。1.电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，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地线设计 地线设计的原则是：(1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。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，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。(2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在23mm以上。(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。3.退藕电容配置 PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是：(1)电源输入端跨接10 100uf的电解电容器。如有可能，接100uF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，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个1 10pF的但电容。(3)对于抗噪能力弱、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藕电容。(4)电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。此外，还应注意以下两点：(1在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用附图所示的 RC 电路来吸收放电电流。一般 R 取 1 2K，C取2.2 47UF。(2)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。印刷电路板的抗干扰设计的六大原则一 电源线布置1、根据电流大小，尽量调宽导线布线。2、电源线、地线的走向应与资料的传递方向一致。3、在印制板的电源输入端应接上10100F的去耦电容。二 地线布置1、数字地与模拟地分开。2、一 电源线布置1、根据电流大小，尽量调宽导线布线。2、电源线、地线的走向应与资料的传递方向一致。3、在印制板的电源输入端应接上10100F的去耦电容。二 地线布置1、数字地与模拟地分开。2、接地线应尽量加粗，致少能通过3倍于印制板上的允许电流，一般应达23mm。3、接地线应尽量构成死循环回路，这样可以减少地线电位差。三 去耦电容配置1、印制板电源输入端跨接10100F的电解电容，若能大于100F则更好。2、每个集成芯片的Vcc和GND之间跨接一个0.010.1F的陶瓷电容。如空间不允许，可为每410个芯片配置一个110F的钽电容。3、对抗噪能力弱，关断电流变化大的器件，以及ROM、RAM，应在Vcc和GND间接去耦电容。4、在单片机复位端“RESET”上配以0.01F的去耦电容。5、去耦电容的引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能带引线。四 器件配置1、时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端应尽量靠近且远离其它低频器件。2、小电流电路和大电流电路尽量远离逻辑电路。3、印制板在机箱中的位置和方向，应保证发热量大的器件处在上方。五 功率线、交流线和信号线分开走线功率线、交流线尽量布置在和信号线不同的板上，否则应和信号线分开走线。六 其它原则1、总线加10K左右的上拉电阻，有利于抗干扰。2、布线时各条地址线尽量一样长短，且尽量短。3、PCB板两面的线尽量垂直布置，防相互干扰。4、去耦电容的大小一般取C=1/F，F为数据传送频率。5、不用的管脚通过上拉电阻（10K左右）接Vcc，或与使用的管脚并接。6、发热的元器件（如大功率电阻等）应避开易受温度影响的器件（如电解电容等）。7、采用全译码比线译码具有较强的抗干扰性。 为扼制大功率器件对微控制器部分数字元元电路的干扰及数字电路对模拟电路的干扰，数字地模拟地在接向公共接地点时，要用高频扼流环。这是一种圆柱形铁氧体磁性材料，轴向上有几个孔，用较粗的铜线从孔中穿过，绕上一两圈,这种器件对低频信号可以看成阻抗为零,对高频信号干扰可以看成一个电感.(由于电感的直流电阻较大,不能用电感作为高频扼流圈)。 当印刷电路板以外的信号线相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频信号和数字信号，屏蔽电缆的两端都接地，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。铁磁屏蔽对500KHz的高频噪声效果并不明显，薄铜皮屏蔽效果要好些。使用镙丝钉固定屏蔽罩时，要注意不同材料接触时引起的电位差造成的腐蚀。七 用好去耦电容 集成电路电源和地之间的去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，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值是0.1F。这个电容的分布电感的典型值是5H。0.1F的去耦电容有5H的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说，对于10MH