摘　　要：本文以印制電路板的電磁兼容性為核心，分析了電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理，詳細(xì)介紹了在設(shè)計和裝配印制電路板時可采取的抗干擾措施。

　　關(guān)鍵詞：印制電路板；干擾；噪聲；電磁兼容性

　　引言

　　印制電路板的設(shè)計質(zhì)量不僅直接影響到電子產(chǎn)品的可靠性，還關(guān)系到產(chǎn)品的穩(wěn)定性，甚至是設(shè)計成敗的關(guān)鍵。因此，在設(shè)繪印制板圖時，除了要為電路中的元器件提供正確無誤的電氣連接外，還應(yīng)充分考慮印制板的抗干擾性。基于電磁兼容性原則，抗干擾設(shè)計應(yīng)包括三個方面：一是抑制噪聲源，二是切斷噪聲傳遞途徑，三是降低受擾設(shè)備的噪聲敏感度。印制板的噪聲抑制應(yīng)從設(shè)計階段開始，貫穿于電路原理圖設(shè)計、印制板圖設(shè)繪、元器件選用、印制板安裝引線等一系列環(huán)節(jié)中。雖然各環(huán)節(jié)側(cè)重不一，但又彼此呼應(yīng)，都應(yīng)認(rèn)真對待。本文主要介紹在設(shè)計印制板時應(yīng)該如何有效地抑制噪聲。

　　減少輻射噪聲

　　印制電路板在工作時會向外輻射噪聲而成為噪聲源：電路板中信號線經(jīng)接地回路傳送到機(jī)殼，引起諧振，由機(jī)殼向外輻射強(qiáng)烈噪聲；電路板信號經(jīng)過信號電纜向外輻射噪聲；電路板本身也直接向外輻射噪聲。為削弱噪聲輻射，可作如下處理：

　?。?)慎重選用器件。選用時需注意元器件的老化問題，并挑選熱反饋影響小的器件。對高頻電路，應(yīng)選用適宜的芯片，以減少電路輻射。在選擇邏輯器件時，要充分考慮其噪聲容限指標(biāo)：當(dāng)單純考慮電路的噪聲容限時，最好用HTL，若兼顧功耗，則用VDD≥15V的CMOS為宜。

　　(2)使用多層印制電路板。這樣可從結(jié)構(gòu)上獲得理想的屏蔽效果：以中間層作電源線或地線，將電源線密封在板內(nèi)，兩面做絕緣處理，可使流經(jīng)上下面的開關(guān)電流彼此不影響；印制板內(nèi)層做成大面積的導(dǎo)電區(qū)，各導(dǎo)線面之間有很大的靜電電容，形成阻抗極低的供電線路，可有效預(yù)防電路板輻射和接收噪聲。

　　(3)印制電路板“滿接地”。繪制高頻線路板時，除盡量加粗接地印制導(dǎo)線外，應(yīng)把電路板上沒被占用的所有面積都作為接地線，使器件更好地就近接地。這樣可以有效降低寄生電感，同時，大面積的地線能有力減少噪聲輻射。

　　(4)在印制電路板上附加一面或兩面接地板。即用一塊鋁片或鐵片附加在印制板背面(焊接面)，或?qū)⒂≈瓢鍔A在兩塊鋁板或鐵板之間。接地板安裝時盡量靠近印制板，且務(wù)必將其接在系統(tǒng)信號的(SG)最佳接地點上，此結(jié)構(gòu)實質(zhì)為簡單易做的“多層”印制板。若想追求更好的抑制效果，可將印制板裝在完全屏蔽的金屬盒中，使其不產(chǎn)生、不響應(yīng)噪聲。

　　妥善布設(shè)印制導(dǎo)線

　　布線是印制電路板設(shè)計圖形化的關(guān)鍵階段，設(shè)計中考慮的許多因素都應(yīng)在布線中體現(xiàn)出來，印制板上銅箔導(dǎo)線的布局及相鄰導(dǎo)線間的串?dāng)_等因素會決定印制板的抗擾度，合理布線可使印制板獲得最佳性能。從抗干擾性考慮，布線應(yīng)遵循的設(shè)計、工藝原則有：

　　(1)只要滿足布線要求，布線時應(yīng)優(yōu)先考慮選擇單面板，其次是雙面板、多層板。布線密度應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)及電性能要求等合理選取，力求布線簡單、均勻；導(dǎo)線最小寬度和間距一般不應(yīng)小于0.2mm，布線密度允許時，適當(dāng)加寬印制導(dǎo)線及其間距。

　　(2)電路中的主要信號線最好應(yīng)匯集于板中央，力求靠近地線，或用地線包圍它，信號線、信號回路線所形成的環(huán)路面積要最小；要盡量避免長距離平行布線，電路中電氣互連點間布線力求最短；信號(特別是高頻信號)線的拐角應(yīng)設(shè)計成135°走向，或成圓形、圓弧形，切忌畫成90°或更小角度形狀。

　　(3)相鄰布線面導(dǎo)線采取相互垂直、斜交或彎曲走線的形式，以減小寄生耦合；高頻信號導(dǎo)線切忌相互平行，以免發(fā)生信號反饋或串?dāng)_，可在兩條平行線間增設(shè)一條地線。

　　(4)妥善布設(shè)外連信號線，盡量縮短輸入引線，提高輸入端阻抗。對模擬信號輸入線最好加以屏蔽，當(dāng)板上同時有模擬、數(shù)字信號時，宜將兩者的地線隔離，以免相互干擾。

　　(5)妥善處理邏輯器件的多余輸入端。將與/與非門多余輸入端接“1”(切忌懸空)，或/或非門多余輸入端接Vss，計數(shù)器、寄存器和D觸發(fā)器等空閑置位/復(fù)位端經(jīng)適當(dāng)電阻接Vcc，觸發(fā)器多余輸入端必須接地。

　　(6)選用標(biāo)準(zhǔn)元器件封裝。如需創(chuàng)建元件封裝時，焊盤孔距應(yīng)與器件管腳間距一致，以減小引線阻抗及寄生電感。布設(shè)導(dǎo)線時應(yīng)盡量減少金屬化過孔，以提高整塊印制板的可靠性。圖1電源線和地線的布局

　　抑制電源線和地線阻抗

　　引起的振蕩

　　設(shè)計裝配密度很高的電路板應(yīng)注意降低電源線和地線阻抗，對公共阻抗、串?dāng)_和反射等引起的波形畸變和振蕩現(xiàn)象需采取必要措施。當(dāng)電路板上有較多集成電路器件同時工作時，板上電源電壓和地電位易產(chǎn)生波動，導(dǎo)致信號振蕩，引起電路誤動作。尤其當(dāng)浪涌電流流過印制導(dǎo)線時，會出現(xiàn)瞬時電壓降，形成電源尖峰噪聲，其中以導(dǎo)線電感引起的干擾為主。在實際設(shè)計中，應(yīng)盡量避免該電感對電路的影響：在各集成電路的電源和地線間分別接入旁路電容，以縮短開關(guān)電流的流通途徑；將電源線和地線設(shè)計成如圖1(b)所示的格子形狀，而不用圖1(a)所示的梳子形狀，這是因為格子狀能顯著縮短線路環(huán)路，降低線路阻抗，減少干擾。

　　當(dāng)印制電路板上裝有多個集成電路，且部分元件功耗較大，地線出現(xiàn)較大電位差，形成公共阻抗干擾時，宜將地線設(shè)計成如如圖1(d)所示的封閉環(huán)路，這種環(huán)路無電位差，比圖1(c)所示的方式有更高的噪聲容限；應(yīng)盡量縮短引線，將各集成電路的GND以最短距離連到電路板入口地線，降低印制導(dǎo)線產(chǎn)生的尖峰脈沖；讓地線、電源線走向與數(shù)據(jù)傳輸方向一致，以提高電路板的噪聲容限。

　　使用大量高速邏輯電路時常采用多層印制電路板，降低接地電位差，減少電源線阻抗和信號線間串?dāng)_。當(dāng)沒有多層板而不得不使用雙面板時，必須盡量加寬地線線條，通常地線應(yīng)加粗到可通過三倍于導(dǎo)線實際流過的電流量為宜；或采用小型母線方式，將公共電源線和地線盡量分別布于印制板兩面邊緣。當(dāng)印制板插頭有多個插頭接觸片時，應(yīng)多備幾個引線插頭作地線使用，如圖1(b)所示，并按總負(fù)載電流大小，在插頭處接入1~10mF的鉭電容器對電源母線去耦，并在去耦電容旁并聯(lián)一個0.01~0.1mF的高頻陶瓷電容器。

　　正確運(yùn)用抗擾器件

　　進(jìn)行印制板的電磁兼容性設(shè)計，應(yīng)根據(jù)噪聲的不同特點，正確選用抗擾器件：用二極管和壓敏電阻等吸收浪涌電壓，用隔離變壓器等隔離電源噪聲，用線路濾波器等濾除一定頻段的干擾信號，用電阻器、電容器、電感器等元件的組合對干擾電壓或電流進(jìn)行旁路、吸收、隔離、濾除、去耦等處理。如果抗擾器件運(yùn)用不當(dāng)，那么不但不能有效減少干擾，甚至還會成為新的干擾源。

　　對電容器的選用和安裝來說，鉭電解電容器在低頻段應(yīng)用效果好，應(yīng)裝在電源入口處；陶瓷電容器在高頻段應(yīng)用效果好，應(yīng)裝在各集成電路的附近。安裝電容器時，要盡量縮短引線，但不能為求引線短而忽視安裝位置，應(yīng)將其裝在需要旁路的集成電路的Vcc和GND管腳近處，否則，電容器就毫無旁路意義。當(dāng)板上信號導(dǎo)線阻抗不匹配時，會發(fā)生多次反射噪聲，在線路終端和始端接入阻抗匹配電阻，可消除干擾。當(dāng)印制導(dǎo)線較長時，線路電感會導(dǎo)致減幅振蕩，串入阻尼電阻，可抑制振蕩，增強(qiáng)抗干擾能力，改善波形。

　　合理布置器件

　　板上器件布局不當(dāng)是引發(fā)干擾的重要因素，所以應(yīng)全面考慮電路結(jié)構(gòu)，合理布置印制板上的器件。首先應(yīng)根據(jù)需要確定印制板的大小和形狀，尺寸過大會使印制導(dǎo)線加長，阻抗增大，噪聲容限降低；尺寸過小又不利于散熱，鄰近導(dǎo)線、器件易發(fā)生感應(yīng)。

　　在印制板上布置元器件，原則上應(yīng)將輸入輸出部分分別布置在板的兩端；電路中相互關(guān)聯(lián)的器件應(yīng)盡量靠近，以縮短器件間連接導(dǎo)線的距離；工作頻率接近或工作電平相差大的器件應(yīng)相距遠(yuǎn)些，以免相互干擾。如常用的以單片機(jī)為核心的小型開發(fā)系統(tǒng)電路，在設(shè)繪印制板圖時，宜將時鐘發(fā)生器、振蕩器等易產(chǎn)生噪聲的器件相互靠近布置，讓有關(guān)的邏輯電路部分盡量遠(yuǎn)離這類噪聲器件。同時，考慮到電路板在機(jī)柜內(nèi)的安裝方式，最好將ROM、RAM、功率輸出器件及電源等易發(fā)熱器件布置在板的邊緣或偏上方部位，以利于散熱。

　　在印制電路板上布置邏輯電路，原則上應(yīng)在輸出端子附近放置高速電路，如光電隔離器等，在稍遠(yuǎn)處放置低速電路和存儲器等，以便處理公共阻抗的耦合、輻射和串?dāng)_等問題。在輸入輸出端放置緩沖器，用于板間信號傳送，可有效防止噪聲干擾。

　　電路板上裝有高壓、大功率器件時，與低壓、小功率器件應(yīng)保持一定間距，盡量分開布線。在大功率、大電流元器件周圍不宜布設(shè)熱敏器件或運(yùn)算放大器等，以免產(chǎn)生感應(yīng)或溫漂。

　　合理布置板間配線

　　板間配線會直接影響印制板的噪聲敏感度，因此，在印制板聯(lián)裝后，應(yīng)認(rèn)真檢查、調(diào)整，對板間配線作合理安排，徹底清除超過額定值的部位，解決設(shè)計中遺留的不妥之處。板間配線應(yīng)注意以下幾點：

　　(1)板間信號線越短越好，且不宜靠近電力線，或可采取兩者相互垂直配線的方式，以減少靜電感應(yīng)、漏電流的影響，必要時應(yīng)采取適宜的屏蔽措施；板間接地線需采用“一點接地”方式，切忌使用串聯(lián)型接地，以避免出現(xiàn)電位差。地線電位差會降低設(shè)備抗擾度，是時常出現(xiàn)誤動作的原因之一。

　　(2)遠(yuǎn)距離傳送的輸入輸出信號應(yīng)有良好的屏蔽保護(hù)，屏蔽線與地應(yīng)遵循一端接地原則，且僅將易受干擾端屏蔽層接地。應(yīng)保證柜體電位與傳輸電纜地電位一致。

　　(3)當(dāng)用扁平電纜傳輸多種電平信號時，應(yīng)用閑置導(dǎo)線將各種電平信號線分開，并將該閑置導(dǎo)線接地。扁平電纜力求貼近接地底板，若串?dāng)_嚴(yán)重，可采用雙絞線結(jié)構(gòu)的信號電纜。

　　(4)交流中線(交流地)與直流地嚴(yán)格分開，以免相互干擾，影響系統(tǒng)正常工作。

　　結(jié)語

　　一般而言，使用以上的基本抗干擾措施，可消除印制板90%左右的常見干擾。由于硬件的可靠性是設(shè)備的復(fù)雜性函數(shù)，要消除一些特殊的、小概率的干擾，就要采用特殊的、更復(fù)雜的硬件抗干擾電路。但過多地采用硬件抗干擾措施，會明顯提高產(chǎn)品的常規(guī)成本，且硬件數(shù)量的增加，還會產(chǎn)生新的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降。所以應(yīng)根據(jù)設(shè)計條件和目標(biāo)要求，合理采用一些硬件抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。