PCB工程师应该掌握的抗干扰设计的重点和难点
电磁兼容EMC 2022-09-23
抗干扰问题是现代电路设计中一个很重要的环节,它直接反映了整个系统的性能和工作的可靠性。对PCB工程师来说,抗干扰设计是大家必须要掌握的重点和难点。


PCB板中干扰的存在


在实际研究中发现,PCB板的设计主要有四方面的干扰存在:电源噪声、传输线干扰、耦合和电磁干扰(EMI)。


1、电源噪声

高频电路中,电源所带有的噪声对高频信号影响尤为明显。因此,首先要求电源是低噪声的。在这里,干净的地和干净的电源同样重要。

电源特性


2、传输线

在PCB中只可能出现两种传输线:带状线和微波线。传输线最大的问题就是反射,反射会引发出很多问题,例如负载信号将是原信号与回波信号的叠加,增加信号分析的难度;反射会引起回波损耗(回损),其对信号产生的影响与加性噪声干扰产生的影响同样严重。


3、耦合

干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道对电控系统发生电磁干扰作用的。干扰的耦合方式无非是通过导线、空间、公共线等作用在电控系统上。分析下来主要有以下几种:直接耦合、公共阻抗耦合、电容耦合、电磁感应耦合、辐射耦合等。

公共阻抗耦合


4、电磁干扰(EMI)

电磁干扰EMI有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。


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,接下来,我们仅就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。若接地线用很细的线条,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2~3mm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、退耦电容配置

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耦电容。


退耦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4~8个芯片布置一个1 ~ 10pF的电容。


(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。


4、PCB设计中消除电磁干扰的方法


(1)减小环路:每个环路都相当于一个天线,因此我们需要尽量减小环路的数量,环路的面积以及环路的天线效应。确保信号在任意的两点上只有唯一的一条回路路径,避免人为环路,尽量使用电源层。


(2)滤波:在电源线上和在信号线上都可以采取滤波来减小EMI,方法有三种:去耦电容、EMI滤波器、磁性元件。

滤波器的类型


(3)屏蔽。


(4)尽量降低高频器件的速度。


(5)增加PCB板的介电常数,可防止靠近板的传输线等高频部分向外辐射;增加PCB板的厚度,尽量减小微带线的厚度,可以防止电磁线的外溢,同样可以防止辐射。



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