PCB布線抗干擾的一些原則

PCB布線抗干擾的一些原則 (2012-11-22 22:01:06)

轉載▼

標籤： 雜談

在電子系統設計中，為了少走彎路和節省時間，應充分考慮並滿足抗干擾性 的要求，避免在設計完成後再去進行抗干擾的補救措施。形成干擾的基本要素有三個：（1）干擾源，指產生干擾的元件、設備或信號，用數學語言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可 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 播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。（3）敏感器件，指容易被干擾的對象。如：A/D、D/A變換器，單片機，數字IC， 弱信號放大器等。抗干擾設計的基本原則是：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。（類似於傳染病的預防）1 抑制干擾源抑制干擾源就是儘可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設計中最優 先考慮和最重要 的原則，常常會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並聯電容 來實現。減小干擾源的di/dt則是在干擾源迴路串聯電感或電阻以及增加續流二極體來實現。 抑制干擾源的常用措施如下：（1）繼電器線圈增加續流二極體，消除斷開線圈時產生的反電動勢干擾。僅加 續流二極體會使繼電器的斷開時間滯後，增加穩壓二極體後繼電器在單位時間內可動作更多的次數。（2）在繼電器接點兩端並接火花抑制電路（一般是RC串聯電路，電阻一般選幾K 到幾十K，電容選0.01uF），減小電火花影響。（3）給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。（4）電路板上每個IC要並接一個0.01μF～0.1μF高頻電容，以減小IC對電源的 影響。注意高頻電容的布線，連線應靠近電源端並盡量粗短，否則，等於增大了電 容的等效串聯電阻，會影響濾波效果。（5）布線時避免90度折線，減少高頻雜訊發射。（6）可控硅兩端並接RC抑制電路，減小可控硅產生的雜訊（這個雜訊嚴重時可能 會把可控硅擊穿的）。 按干擾的傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾雜訊和 有用信號的頻帶不同，可以通過在導線上增加濾波器的方法切斷高頻干擾 雜訊的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電 源雜訊的危害最大，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）充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機對電源雜訊很敏感, 要給單片機電源加濾波電路或穩壓器，以減小電源雜訊對單片機的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路，當然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。（2）如果單片機的I/O口用來控制電機等雜訊器件，在I/O口與雜訊源之間應加隔離（增加π形濾波電路）。 控制電機等雜訊器件，在I/O口與雜訊源之間應加隔離（增加π形濾波電路）。（3）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區隔離起來，晶振外殼接地並固定。此措施可解決許多疑難問題。（4）電路板合理分區，如強、弱信號，數字、模擬信號。儘可能把干擾源 （如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。（5）用地線把數字區與模擬區隔離，數字地與模擬地要分離，最後在一點接於電源地。A/D、D/A晶元布線也以此為原則，廠家分配A/D、D/A晶元 引腳排列時已考慮此要求。（6）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾。 大功率器件儘可能放在電路板邊緣。（7）在單片機I/O口，電源線，電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件 如磁珠、磁環、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干擾雜訊 的拾取，以及從不正常狀態儘快恢復的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下：（1）布線時盡量減少迴路環的面積，以降低感應雜訊。（2）布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦 合雜訊。（3）對於單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置 端在不改變系統邏輯的情況下接地或接電源。（4）對單片機使用電源監控及看門狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整個電路的抗干擾性能。（5）在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數字 電路。（6）IC器件盡量直接焊在電路板上，少用IC座。************************************************************************************************************************

為了達到很好的抗干擾，於是我們常看到PCB板上有地分割的布線方式。但是也不是所有的數字電路和模擬電路混合都一定要進行地平面分割。因為這樣分割是為了降低雜訊的干擾。

理論：在數字電路中一般的頻率會比模擬電路中的頻率要高，而且它們本身的信號會跟地平面形成一個迴流（因為在信號傳輸中，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，那麼這個迴流就會在數字和模擬電路中相互串擾。而我們分開就是讓它們只在自己本身內部形成一個迴流。它們之間只用一個零歐電阻或是磁珠連接起來就是因為原來它們就是同一個物理意義的地，現在布線把它們分開了，最後還應該把它們連接起來。

如何分析它們是屬於數字部分呢還是模擬部分？這個問題常常是我們在具體畫PCB時得考濾的。我個人的看法是要判斷一個元件是屬於模擬的，還是數字的關鍵是看與它相關的主要晶元是數字的還是模擬的。比如：電源它可能給模擬電路供電，那它就是模擬部分的，如果它是給單片機或是數據類晶元供電，那它就是數字的。當它們是同一個電源時就需要用一個橋的方法把一個電源從另一個部分引過來。最典形的就是D/A了，它應該是一個一半是數字，一半是模擬的晶元。我認為如果能把數字輸入處理好後，剩下的就可以畫到模擬部分去了。

1模擬地和數字地之間鏈接

（1）模擬地和數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)單點接地(限制雜訊)、(3)對所有頻率的雜訊都有衰減作用(0歐也有阻抗，而且電流路徑狹窄，可以限制雜訊電流通過)。磁珠相當於帶阻陷波器，只對某個頻點的雜訊有抑制作用，如果不能預知噪點，如何選擇型號，況且，噪點頻率也不一定固定，故磁珠不是一個好的選擇。電容不通直流，會導致壓差和靜電積累，摸機殼會麻手。如果把電容和磁珠並聯，就是畫蛇添足，因為磁珠通直，電容將失效。串聯的話就顯得不倫不類。電感特性不穩定，離散分布參數不好控制，體積大。電感也是陷波，LC諧振(分布電容)，對噪點有特效。總之，關鍵是模擬地和數字地要一點接地。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用磁珠；高頻信號線耦合用小電容；電感用在大功率低頻上。

數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；單點接地，可有效防止由於地線公共阻抗而導致的部件之間的互相干擾。而高頻和數字，地線的電感效應較嚴重，單點接地會導致實際地線加長，故應多點接地和單點接地相結合。

2）、高頻還應考慮如何抑制高頻輻射雜訊。方法如下：應盡量加粗地線，以降低雜訊對地阻抗；大面積（滿）接地，即除傳輸信號及電源的印製線以外，其餘部分全覆銅作為地線，但不要留有死的無用大面積銅箔。

3）、地線應構成環路，以防止產生高頻輻射雜訊，但環路面積不可過大，以免產生較大的感應電流。注意若為低頻，則應避免地線環路。

4）、數字電源和模擬電源最好隔離，地線分開布置，如果有A/D轉換，則只在盡量靠近該器件處單點接地。

1）、若為低頻模擬，加粗和縮短地線；單點接地，可有效防止由於地線公共阻抗而導致的部件之間的互相干擾。而高頻和數字，地線的電感效應較嚴重，單點接地會導致實際地線加長，故應多點接地和單點接地相結合。

2）、高頻還應考慮如何抑制高頻輻射雜訊。方法如下：應盡量加粗地線，以降低雜訊對地阻抗；大面積（滿）接地，即除傳輸信號及電源的印製線以外，其餘部分全覆銅作為地線，但不要留有死的無用大面積銅箔。

3）、地線應構成環路，以防止產生高頻輻射雜訊，但環路面積不可過大，以免產生較大的感應電流。注意若為低頻，則應避免地線環路。

4）、數字電源和模擬電源最好隔離，地線分開布置，如果有A/D轉換，則只在盡量靠近該器件處單點接地。

數字地模擬地的布局原則及布線規則如何降低數字信號和模擬信號間的相互干擾呢？在設計之前必須了解電磁兼容(EMC)的兩個基本原則：第一個原則是儘可能減小電流環路的面積；第二個原則是系統只採用一個參考面。相反，如果系統存在兩個參考面，就可能形成一個偶極天線(註：小型偶極天線的輻射大小與線的長度、流過的電流大小以及頻率成正比)；而如果信號不能通過儘可能小的環路返回，就可能形成一個大的環狀天線(註：小型環狀天線的輻射大小與環路面積、流過環路的電流大小以及頻率的平方成正比)。在設計中要儘可能避免這兩種情況。有人建議將混合信號電路板上的數字地和模擬地分割開，這樣能實現數字地和模擬地之間的隔離。儘管這種方法可行，但是存在很多潛在的問題，在複雜的大型系統中問題尤其突出。最關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，電磁輻射和信號串擾都會急劇增加。在PCB設計中最常見的問題就是信號線跨越分割地或電源而產生EMI問題。如圖1所示，我們採用上述分割方法，而且信號線跨越了兩個地之間的間隙，信號電流的返迴路徑是什麼呢？假定被分割的兩個地在某處連接在一起(通常情況下是在某個位置單點連接)，在這種情況下，地電流將會形成一個大的環路。流經大環路的高頻電流會產生輻射和很高的地電感，如果流過大環路的是低電平模擬電流，該電流很容易受到外部信號干擾。最糟糕的是當把分割地在電源處連接在一起時，將形成一個非常大的電流環路。另外，模擬地和數字地通過一個長導線連接在一起會構成偶極天線。

了解電流迴流到地的路徑和方式是優化混合信號電路板設計的關鍵。許多設計工程師僅僅考慮信號電流從哪兒流過，而忽略了電流的具體路徑。如果必須對地線層進行分割，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行單點連接，形成兩個地之間的連接橋，然後通過該連接橋布線。這樣，在每一個信號線的下方都能夠提供一個直接的電流迴流路徑，從而使形成的環路面積很小。採用光隔離器件或變壓器也能實現信號跨越分割間隙。對於前者，跨越分割間隙的是光信號；在採用變壓器的情況下，跨越分割間隙的是磁場。還有一種可行的辦法是採用差分信號：信號從一條線流入從另外一條信號線返回，這種情況下，不需要地作為迴流路徑。要深入探討數字信號對模擬信號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)，直接位於信號下方的路徑，因此返回電流會流過鄰近的電路層，而無論這個臨近層是電源層還是地線層。在實際工作中一般傾向於使用統一地，而將PCB分區為模擬部分和數字部分。模擬信號在電路板所有層的模擬區內布線，而數字信號在數字電路區內布線。在這種情況下，數字信號返回電流不會流入到模擬信號的地。只有將數字信號布線在電路板的模擬部分之上或者將模擬信號布線在電路板的數字部分之上時，才會出現數字信號對模擬信號的干擾。出現這種問題並不是因為沒有分割地，真正的原因是數字信號的布線不適當。PCB設計採用統一地，通過數字電路和模擬電路分區以及合適的信號布線，通常可以解決一些比較困難的布局布線問題，同時也不會產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就成為決定設計優劣的關鍵。如果布局布線合理，數字地電流將限制在電路板的數字部分，不會干擾模擬信號。對於這樣的布線必須仔細地檢查和核對，要保證百分之百遵守布線規則。否則，一條信號線走線不當就會徹底破壞一個本來非常不錯的電路板。在將A/D轉換器的模擬地和數字地管腳連接在一起時，大多數的A/D轉換器廠商會建議：將AGND和DGND管腳通過最短的引線連接到同一個低阻抗的地上(註：因為大多數A/D轉換器晶元內部沒有將模擬地和數字地連接在一起，必須通過外部管腳實現模擬和數字地的連接)，任何與DGND連接的外部阻抗都會通過寄生電容將更多的數字雜訊耦合到IC內部的模擬電路上。按照這個建議，需要把A/D轉換器的AGND和DGND管腳都連接到模擬地上，但這種方法會產生諸如數字信號去耦電容的接地端應該接到模擬地還是數字地的問題。如果系統僅有一個A/D轉換器，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轉換器下面把模擬地和數字地部分連接在一起。採取該方法時，必須保證兩個地之間的連接橋寬度與IC等寬，並且任何信號線都不能跨越分割間隙。如果系統中A/D轉換器較多，例如10個A/D轉換器怎樣連接呢？如果在每一個A/D轉換器的下面都將模擬地和數字地連接在一起，則產生多點相連，模擬地和數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就用統一地。如圖4所示，將統一的地分為模擬部分和數字部分。這樣的布局布線既滿足了IC器件廠商對模擬地和數字地管腳低阻抗連接的要求，同時又不會形成環路天線或偶極天線而產生EMC問題。如果對混合信號PCB設計採用統一地的做法心存疑慮，可以採用地線層分割的方法對整個電路板布局布線，在設計時注意盡量使電路板在後邊實驗時易於用間距小於1/2英寸的跳線或0歐姆電阻將分割地連接在一起。注意分區和布線，確保在所有的層上沒有數字信號線位於模擬部分之上，也沒有任何模擬信號線位於數字部分之上。而且，任何信號線都不能跨越地間隙或是分割電源之間的間隙。要測試該電路板的功能和EMC性能，然後將兩個地通過0歐姆電阻或跳線連接在一起，重新測試該電路板的功能和EMC性能。比較測試結果，會發現幾乎在所有的情況下，統一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更優越。

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：一些醫療設備要求在與病人連接的電路和系統之間的漏電流很低；一些工業過程式控制制設備的輸出可能連接到雜訊很大而且功率高的機電設備上；另外一種情況就是在PCB的布局受到特定限制時。在混合信號PCB板上通常有獨立的數字和模擬電源，能夠而且應該採用分割電源面。但是緊鄰電源層的信號線不能跨越電源之間的間隙，而所有跨越該間隙的信號線都必須位於緊鄰大面積地的電路層上。在有些情況下，將模擬電源以PCB連接線而不是一個面來設計可以避免電源面的分割問題。

混合信號PCB設計是一個複雜的過程，設計過程要注意以下幾點：1.將PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分。 2.合適的元器件布局。 3.A/D轉換器跨分區放置。4.不要對地進行分割。在電路板的模擬部分和數字部分下面敷設統一地。 5.在電路板的所有層中，數字信號只能在電路板的數字部分布線。6.在電路板的所有層中，模擬信號只能在電路板的模擬部分布線。 7.實現模擬和數字電源分割。 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線要位於緊鄰大面積地的布線層上。 10.分析返回地電流實際流過的路徑和方式。11.採用正確的布線規則.數字地模擬地的布局原則及布線規則

問題：

回答：

磁珠的等效電路相當於帶阻限波器，只對某個頻點的雜訊有顯著抑制作用，使用時需要預先估計噪點頻率，以便選用適當型號。對於頻率不確定或無法預知的情況，磁珠不合。電容隔直通交，造成浮地（模擬地和數字地沒有接在一起，存在壓差，容易積累電荷，造成靜電）。電感體積大，雜散參數多，不穩定。0歐電阻相當於很窄的電流通路，能夠有效地限制環路電流，使雜訊得到抑制。電阻在所有頻帶上都有衰減作用(0歐電阻也有阻抗)，這點比磁珠強。
推薦閱讀：