資料介紹
在研制帶處理器的電子產(chǎn)品時,如何提高抗干擾能力和電磁兼容性?
一、下面的一些系統(tǒng)要特別注意抗電磁干擾:
1、微控制器時鐘頻率特別高,總線周期特別快的系統(tǒng)。
2、系統(tǒng)含有大功率,大電流驅(qū)動電路,如產(chǎn)生火花的繼電器,大電流開關(guān)等。
3、含微弱模擬信號電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。
二、為增加系統(tǒng)的抗電磁干擾能力采取如下措施:
(1)、選用頻率低的微控制器
選用外時鐘頻率低的微控制器可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同樣頻率的方波和正弦波,方波中的高頻成份比正弦波多得多。雖然方波的高頻成份的波的幅度,比基波小,但頻率越高越容易發(fā)射出成為噪聲源,微控制器產(chǎn)生的最有影響的高頻噪聲大約是時鐘頻率的3倍。
(2)、減小信號傳輸中的畸變
微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號輸入端靜態(tài)輸入電流在1mA左右,輸入電容10PF左右,輸入阻抗相當(dāng)高,高速CMOS電路的輸出端都有相當(dāng)?shù)膸лd能力,即相當(dāng)大的輸出值,將一個門的輸出端通過一段很長線引到輸入阻抗相當(dāng)高的輸入端,反射問題就很嚴重,它會引起信號畸變,增加系統(tǒng)噪聲。當(dāng)Tpd>Tr時,就成了一個傳輸線問題,必須考慮信號反射,阻抗匹配等問題。
信號在印制板上的延遲時間與引線的特性阻抗有關(guān),即與印制線路板材料的介電常數(shù)有關(guān)??梢源致缘卣J為,信號在印制板引線的傳輸速度,約為光速的1/3到1/2之間。微控制器構(gòu)成的系統(tǒng)中常用邏輯電話元件的Tr(標(biāo)準延遲時間)為3到18ns之間。
在印制線路板上,信號通過一個7W的電阻和一段25cm長的引線,線上延遲時間大致在4~20ns之間。也就是說,信號在印刷線路上的引線越短越好,最長不宜超過25cm。而且過孔數(shù)目也應(yīng)盡量少,最好不多于2個。
當(dāng)信號的上升時間快于信號延遲時間,就要按照快電子學(xué)處理。此時要考慮傳輸線的阻抗匹配,對于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號傳輸,要避免出現(xiàn)Td>Trd的情況,印刷線路板越大系統(tǒng)的速度就越不能太快。
用以下結(jié)論歸納印刷線路板設(shè)計的一個規(guī)則:
信號在印刷板上傳輸,其延遲時間不應(yīng)大于所用器件的標(biāo)稱延遲時間。
(3)、減小信號線間的交叉干擾:
A點一個上升時間為Tr的階躍信號通過引線 AB傳向B端。信號在AB線上的延遲時間是Td。在D點,由于A點信號的向前傳輸,到達B點后的信號反射和AB線的延遲,Td時間以后會感應(yīng)出一個寬度為 Tr的頁脈沖信號。在C點,由于AB上信號的傳輸與反射,會感應(yīng)出一個寬度為信號在AB線上的延遲時間的兩倍,即2Td的正脈沖信號。這就是信號間的交叉干擾。干擾信號的強度與C點信號的di/at有關(guān),與線間距離有關(guān)。當(dāng)兩信號線不是很長時,AB上看到的實際是兩個脈沖的迭加。
CMOS工藝制造的微控制由輸入阻抗高,噪聲高,噪聲容限也很高,數(shù)字電路是迭加 100~200mv噪聲并不影響其工作。若圖中AB線是一模擬信號,這種干擾就變?yōu)椴荒苋萑獭H缬∷⒕€路板為四層板,其中有一層是大面積的地,或雙面板,信號線的反面是大面積的地時,這種信號間的交叉干擾就會變小。原因是,大面積的地減小了信號線的特性阻抗,信號在D端的反射大為減小。特性阻抗與信號線到地間的介質(zhì)的介電常數(shù)的平方成反比,與介質(zhì)厚度的自然對數(shù)成正比。若AB線為一模擬信號,要避免數(shù)字電路信號線CD對AB的干擾,AB線下方要有大面積的地,AB線到CD線的距離要大于AB線與地距離的2~3倍??捎镁植科帘蔚?,在有引結(jié)的一面引線左右兩側(cè)布以地線。
(4)、減小來自電源的噪聲
電源在向系統(tǒng)提供能源的同時,也將其噪聲加到所供電的電源上。電路中微控制器的復(fù)位線,中斷線,以及其它一些控制線最容易受外界噪聲的干擾。電網(wǎng)上的強干擾通過電源進入電路,即使電池供電的系統(tǒng),電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號更經(jīng)受不住來自電源的干擾。
(5)、注意印刷線板與元器件的高頻特性
在高頻情況下,印刷線路板上的引線,過孔,電阻、電容、接插件的分布電感與電容等不可忽略。電容的分布電感不可忽略,電感的分布電容不可忽略。電阻產(chǎn)生對高頻信號的反射,引線的分布電容會起作用,當(dāng)長度大于噪聲頻率相應(yīng)波長的1/20時,就產(chǎn)生天線效應(yīng),噪聲通過引線向外發(fā)射。
印刷線路板的過孔大約引起0.6pf的電容。
一個集成電路本身的封裝材料引入2~6pf電容。
一個線路板上的接插件,有520nH的分布電感。一個雙列直扦的24引腳集成電路扦座,引入 4~18nH的分布電感。
這些小的分布參數(shù)對于這行較低頻率下的微控制器系統(tǒng)中是可以忽略不計的;而對于高速系統(tǒng)必須予以特別注意。
(6)、元件布置要合理分區(qū)
元件在印刷線路板上排列的位置要充分考慮抗電磁干擾問題,原則之一是各部件之間的引線要盡量短。在布局上,要把模擬信號部分,高速數(shù)字電路部分,噪聲源部分(如繼電器,大電流開關(guān)等)這三部分合理地分開,使相互間的信號耦合為最小。
(7)、處理好接地線
印刷電路板上,電源線和地線最重要??朔姶鸥蓴_,最主要的手段就是接地。
對于雙面板,地線布置特別講究,通過采用單點接地法,電源和地是從電源的兩端接到印刷線路板上來的,電源一個接點,地一個接點。印刷線路板上,要有多個返回地線,這些都會聚到回電源的那個接點上,就是所謂單點接地。所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開分,是指布線分開,而最后都匯集到這個接地點上來。與印刷線路板以外的信號相連時,通常采用屏蔽電纜。對于高頻和數(shù)字信號,屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號用的屏蔽電纜,一端接地為好。
對噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴重的電路應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來。
(8)、用好去耦電容
好的高頻去耦電容可以去除高到1GHZ的高頻成份。陶瓷片電容或多層陶瓷電容的高頻特性較好。設(shè)計印刷線路板時,每個集成電路的電源,地之間都要加一個去耦電容。去耦電容有兩個作用:一方面是本集成電路的蓄能電容,提供和吸收該集成電路開門關(guān)門瞬間的充放電能;另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容為0.1uf的去耦電容有5nH分布電感,它的并行共振頻率大約在7MHz左右,也就是說對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用,對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。
1uf,10uf電容,并行共振頻率在20MHz以上,去除高頻率噪聲的效果要好一些。在電源進入印刷板的地方和一個1uf或10uf的去高頻電容往往是有利的,即使是用電池供電的系統(tǒng)也需要這種電容。
每10片左右的集成電路要加一片充放電電容,或稱為蓄放電容,電容大小可選10uf。最好不用電解電容,電解電容是兩層溥膜卷起來的,這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(xiàn)為電感,最好使用膽電容或聚碳酸醞電容。
去耦電容值的選取并不嚴格,可按C=1/f計算;即10MHz取0.1uf,對微控制器構(gòu)成的系統(tǒng),取0.1~0.01uf之間都可以。
三、降低噪聲與電磁干擾的一些經(jīng)驗。
(1)能用低速芯片就不用高速的,高速芯片用在關(guān)鍵地方。
(2)可用串一個電阻的辦法,降低控制電路上下沿跳變速率。
(3)盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。
(4)使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時鐘。
(5)時鐘產(chǎn)生器盡量靠近到用該時鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。
(6)用地線將時鐘區(qū)圈起來,時鐘線盡量短。
(7)I/O驅(qū)動電路盡量靠近印刷板邊,讓其盡快離開印刷板。對進入印制板的信號要加濾波,從高噪聲區(qū)來的信號也要加濾波,同時用串終端電阻的辦法,減小信號反射。
(8)MCD無用端要接高,或接地,或定義成輸出端,集成電路上該接電源地的端都要接,不要懸空。
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