印制电路板设计原则及抗干扰措施

印制电路板设计原则及抗干扰措施内容:印制电路板(PCB)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)应留出印制扳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0.02~0.3mm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，可使间距小至5~8mm。(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.地段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4~8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。(2CMOS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。◆电磁兼容设计的一般准则1.1电子线路设计准则电子线路设计者往往只考虑产品的功能，而没有将功能和电磁兼容性综合考虑，因此产品在完成其功能的同时，也产生了大量的功能性骚扰及其它骚扰。而且，不能满足敏感度要求。电子线路的电磁兼容性设计应从以下几方面考虑：1.1.1元件选择在大多数情况下，电路的基本元件满足电磁特性的程度将决定着功能单元和最后的设备满足电磁兼容性的程度。选择合适的电磁元件的主要准则包括带外特性和电路装配技术。因为是否能实现电磁兼容性往往是由远离基频的元件响应特性来决定的。而在许多情况下，电路装配又决定着带外响应（例如引线长度）和不同电路元件之间互相耦合的程度。具体规则是：⑴在高频时，和引线型电容器相比，应优先进用引线电感小的穿心电容器或支座电容器来滤波。⑵在必须使用引线式电容时，应考虑引线电感对滤波效率的影响。⑶铝电解电容器可能发生几微秒的暂时性介质击穿，因而在纹波很大或有瞬变电压的电路里，应该使用固体电容器。⑷使用寄生电感和电容量小的电阻器。片状电阻器可用于超高频段。⑸大电感寄生电容大，为了提高低频部分的插损，不要使用单节滤波器，而应该使用若干小电感组成的多节滤波器。⑹使用磁芯电感要注意饱和特性，特别要注意高电平脉冲会降低磁芯电感的电感量和在滤波器电路中的插损。⑺尽量使用屏蔽的继电器并使屏蔽壳体接地。⑻选用有效地屏蔽、隔离的输入变压器。⑼用于敏感电路的电源变压器应该有静电屏蔽，屏蔽壳体和变压器壳体都应接地。⑽设备内部的互连信号线必须使用屏蔽线，以防它们之间的骚扰耦合。⑾为使每个屏蔽体都与各自的插针相连，应选用插针足够多的插头座。1.1.2电设计每种单元都可以描述为接收一个输入信号、并对输入信号进行加工，然后在输出端输出加工过的信号。必须考虑在输入端可能存在的不希望有的信号，也要考虑经过输入端之外的其它通路进入的无用信号。最好在输入点上处理这些无用信号。1.1.2.1电源设备电源的EMI耦合涉及对供电线上的传导发射（主电源谐波、差模或共模瞬变、无线电发射机的窄带信号）的敏感度和传导到供电线上的发射。在设备内电源广泛地同其它功能相连，一方面电源中产生的无用信号可以很容易地耦合到各功能单元中去，另一方面，一个单元中的无用信号可能通过电源的（公共阻抗）耦合到其它单元去。因此，从电磁兼容的观点出发首先要关心电源。⑴在可能的条件下，单独为各功能单元供电。⑵使用公共电源的所有电路尽可能彼此靠近。⑶使用公共电源的所有电路必须互相兼容。⑷应在交直流干线上使用电源滤波器，以防外部骚扰通过电源进入设备，防止开关瞬变和设备内部产生的其它信号进入初级电源。⑸有效隔离电源的输入和输出线及滤波器的输入和输出线。⑹对电源进行有效的电磁场屏蔽，特别是开关电源。⑺开关电源会引起高频辐射和传导骚扰，但它又有排斥电力线瞬变的优点（典型调压器则不能）。⑻整流二极管应工作在最低的电流密度上（与最大额定电流成正比）。⑼对所有电路功能状态，电源都应保持低输出阻抗，即使在射频范围，输出电容也应呈现低阻抗。⑽保证稳压器有足够快的响应时间，以便抑制高频纹波和瞬变加载作用。⑾为稳压二极管提供足够的射频旁路。⑿合理屏蔽和小心地把高压电源同敏感电路隔离开。⒀电源变压器应该是对称平衡的，而不应该是功率配平的。⒁对于变压器所用铁芯材料应取其饱和磁感应强度Bm的下限值。无论什么情况下必须保证不使铁芯驱动到饱和状态。⒂变压器铁芯结构应优选D型和C型，E型最次之。⒃用静电屏蔽的电源变压器抑制电源线上的共模骚扰，多重屏蔽隔离变压器（超隔）有更好的性能。1.1.2.2控制单元⑴控制单元和设备主体往往离得较远，因此必须正确运用接地和屏蔽方法，防止构成地环路和耦合无用信号。⑵控制单元内主要的无用信号源是那些能突然断开控制信号通道的元件。如开关、继电器、可控硅整流器、开关二极管等。⑶各种产生无用信号的开关同感性负载一起运行时，就会产生严重的瞬变过程。⑷尽量减少陡峭波前瞬态过程，应限制接通和断开时通过开关的浪涌电流。⑸如果必要，可使用RC网络或二级管来抑制开关瞬变。⑹如有必要，则使用缓冲或减振器来减小继电器触点的振动。1.1.2.3放大器由于它们应用广泛，能影响无用信号的产生和耦合，所以必须对放大器提出严格的电磁兼容性设计要求。⑴放大器的布局应设计成最短的距离上传送低电平信号，否则易引入骚扰。⑵放大器占有带宽应和有用信号匹配。必须控制放大器的带外响应。带宽过宽易将无用信号放大或产生寄生振荡。⑶要注意多级放大器各级之间的去耦。⑷对所有放大器的输入端进行去耦，只让有用信号进入放大器。⑸工作频率低于1MHz的放大器，采用平衡输入式为好（特别是音频放大器）。⑹运算放大器的噪声比晶体管的噪声电平高，为21/2倍以上。⑺应将瞬时大电流负载的电源与运算放大器的电源分开，防止运算放大器电源线的瞬时欠压状态。⑻隔离放大器的输入变压器，初次级间应有效地屏蔽隔离。⑼用输入变压器来断开到远端音频输入电路的任何地环路。⑽音频输入变压器应是磁屏蔽的，以免拾取电源磁场骚扰。⑾音频放大器应该用平衡输入式，并用屏蔽双绞线对作输入信号线。⑿音频增益（音量）控制应在高增益前置放大器之后，否则控制时它的走线上的噪声和骚扰拾取电平将成为低电平输入信号的可观部分。⒀音频放大器若用开关电源，要用20KHz或更高的开关速度。1.1.2.4数字电路数字和模拟设备的发射和敏感特性不同的，一般不能用对数字信号滤波的方法来实现模拟电路电磁兼容。例如，通常产生窄带骚扰，并常常对连续波骚扰敏感；数字电路常常产生宽带骚扰，并对尖峰脉冲骚扰敏感。控制数字电路的发射和敏感所采用的屏蔽、滤波的范围和程度要根据数字电路单元的性能、电路元器件的速率来决定。数字系统误动作的重要原因中，绝大多数起因于机壳地、信号地的电位波动。集成电路0V端电位发生变化时，它的工作状态便不稳定，从而影响下一级输入端状况，下一级也会不稳定。0V线电位的变化是接地线本身有电感和直流电阻所致。⑴必须选择电路功能允许的最慢的上升时间和下降时间，以限制产生不必要的高频分量。⑵避免产生和使用不必要的高逻辑电平。如能用5V电平的就不要用12V电平。⑶时钟频率应在工作允许的条件下选用最低的。⑷要防止数据脉冲通过滤波和二次稳压电源耦合到直流电源总线上去。⑸数字电路的输入、输出线不要紧靠时钟或振荡器线、电源线等电磁热线，也不要紧靠复位线、中断线、控制线等脆弱信号线。⑹只要可能，就应在低阻抗点上连接数字电路的输入和输出端，或用阻抗变换缓冲级。⑺要严格限制脉冲波形的尖峰、过冲和阻尼振荡。⑻若用脉冲变压器，应是有屏蔽的。⑼必须对电源线、控制