单片机系统的电磁兼容
0 2023-01-19

随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域,单片机系统面临着电磁干扰(EMI)日益严重的威胁。电磁兼容性(EMC)包含系统的发射和敏感度两方面的问题。

如果一个单片机系统符合下面三个条件,则该系统是电磁兼容的:
① 对其它系统不产生干扰;
② 对其它系统的发射不敏感;
③ 对系统本身不产生干扰。

假若干扰不能完全消除,但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的(通过导体、公共阻抗耦合等),就是间接的(通过串扰或辐射耦合)。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射,很多电磁发射源,如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰;AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中,时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源,这些电路可产生高达300 MHz的谐波失真,在系统中应该把它们去掉。另外,在单片机系统中,最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

1、干扰的耦合方式

(1)传导性EMI

一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声引起干扰前,用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源,则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

(2)公共阻抗耦合

当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定,来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制,噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

(3)辐射耦合

经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场,而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

(4)辐射发射

辐射发射有两种基本类型:差分模式(DM)和共模(CM)。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的,它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言,CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小,必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

2、影响EMC的因数

① 电压。电源电压越高,意味着电压振幅越大,发射就更多,而低电源电压影响敏感度。

② 频率。高频产生更多的发射,周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中,当器件开关时产生电流尖峰信号;在模拟系统中,当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

③ 接地。在所有EMC问题中,主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法:单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时,可采用单点接地方法,但不适于高频;在高频应用中,最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地,而高频用多点接地的方法。地线布局是关键,高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。

④ PCB设计。适当的印刷电路板(PCB)布线对防止EMI是至关重要的。

⑤ 电源去耦。当器件开关时,在电源线上会产生瞬态电流,必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压,高di/dt 产生大范围高频电流,激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降,减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

3、印刷电路板(PCB)的电磁兼容性设计

PCB是单片机系统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。随着电子技术的飞速发展,PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大,实践证明,即使电路原理图设计正确,印刷电路板设计不当,也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如,如果印刷板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声。因此,在设计印刷电路板的时候,应注意采用正确的方法,遵守PCB设计的一般原则,并应符合抗干扰设计的要求。

3.1 PCB设计的一般原则

要使电子电路获得最佳性能,元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、成本低的PCB,应遵循以下一般性原则。

(1)特殊元器件布局

首先,要考虑PCB尺寸的大小:PCB尺寸过大时,印刷线条长,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,再确定特殊元器件的位置。最后,根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局。

在确定特殊元器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15 g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,不宜装在印刷板上,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,应放在印刷板上方便调节的地方;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 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

(2)一般元器件布局

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

④ 位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm×150 mm时,应考虑电路板所受的机械强度。

(3)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
② 印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.5 mm、宽度为1~15 mm时,通过2 A的电流,温升不会高于3℃。因此,导线宽度为1.5 mm可满足要求。对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3 mm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0.1~0.2 mm。
③ 印刷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。

(4)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。

3.2 PCB及电路抗干扰措施

印刷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作一些说明。

(1)电源线设计

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)地线设计

在单片机系统设计中,接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用,可解决大部分干扰问题。单片机系统中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。

在地线设计中应注意以下几点:

① 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1 MHz,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10 MHz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1~10MHz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。

② 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。

③ 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3 mm。

④ 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。

(3)退耦电容配置

PCB设计的常规做法之一,是在印刷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10~100μF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0.01 pF的瓷片电容。如遇印刷板空隙不够,可每4~8个芯片布置一个1~10 pF的钽电容。
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。

此外,还应注意以下两点:
① 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1~2 kΩ,C取2.2~47μF。
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。

(4)振荡器

几乎所有的单片机都有一个耦合于外部晶体或陶瓷谐振器的振荡器电路。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。

(5)防雷击措施

室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线,要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有:气体放电管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。气体放电管是当电源电压大于某一数值时,通常为数十V或数百V,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导入大地。TVS可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当两端电压高于某一值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃至上千A的电流。 

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