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帶處理器的電子產(chǎn)品如何提高抗干擾能力和電磁兼容性

白老大大 ? 來(lái)源:白老大大 ? 作者:白老大大 ? 2022-05-26 15:01 ? 次閱讀

在研制帶處理器的電子產(chǎn)品時(shí),如何提高抗干擾能力和電磁兼容性?

1、下面的一些系統(tǒng)要特別注意抗電磁干擾

微控制器時(shí)鐘頻率特別高,總線周期特別快的系統(tǒng)。

系統(tǒng)含有大功率,大電流驅(qū)動(dòng)電路,如產(chǎn)生火花的繼電器,大電流開(kāi)關(guān)等。

含微弱模擬信號(hào)電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。

2、為增加系統(tǒng)的抗電磁干擾能力采取如下措施

01選用頻率低的微控制器:

選用外時(shí)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(shí)鐘頻率的3倍。

02減小信號(hào)傳輸中的畸變

微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號(hào)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(gè)門(mén)的輸出端通過(guò)一段很長(zhǎng)線引到輸入阻抗相當(dāng)高的輸入端,反射問(wèn)題就很?chē)?yán)重,它會(huì)引起信號(hào)畸變,增加系統(tǒng)噪聲。當(dāng)Tpd>Tr時(shí),就成了一個(gè)傳輸線問(wèn)題,必須考慮信號(hào)反射,阻抗匹配等問(wèn)題。

信號(hào)在印制板上的延遲時(shí)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)。可以粗略地認(rèn)為,信號(hào)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(zhǔn)延遲時(shí)間)為3到18ns之間。

在印制線路板上,信號(hào)通過(guò)一個(gè)7W的電阻和一段25cm長(zhǎng)的引線,線上延遲時(shí)間大致在4~20ns之間。也就是說(shuō),信號(hào)在印刷線路上的引線越短越好,最長(zhǎng)不宜超過(guò)25cm。而且過(guò)孔數(shù)目也應(yīng)盡量少,最好不多于2個(gè)。

當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間快于信號(hào)延遲時(shí)間,就要按照快電子學(xué)處理。此時(shí)要考慮傳輸線的阻抗匹配,對(duì)于一塊印刷線路板上的集成塊之間的信號(hào)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(jì)的一個(gè)規(guī)則

信號(hào)在印刷板上傳輸,其延遲時(shí)間不應(yīng)大于所用器件的標(biāo)稱(chēng)延遲時(shí)間。

3、減小信號(hào)線間的交叉干擾:

A點(diǎn)一個(gè)上升時(shí)間為T(mén)r的階躍信號(hào)通過(guò)引線AB傳向B端。信號(hào)在AB線上的延遲時(shí)間是Td。在D點(diǎn),由于A點(diǎn)信號(hào)的向前傳輸,到達(dá)B點(diǎn)后的信號(hào)反射和AB線的延遲,Td時(shí)間以后會(huì)感應(yīng)出一個(gè)寬度為T(mén)r的頁(yè)脈沖信號(hào)。在C點(diǎn),由于AB上信號(hào)的傳輸與反射,會(huì)感應(yīng)出一個(gè)寬度為信號(hào)在AB線上的延遲時(shí)間的兩倍,即2Td的正脈沖信號(hào)。這就是信號(hào)間的交叉干擾。干擾信號(hào)的強(qiáng)度與C點(diǎn)信號(hào)的di/at有關(guān),與線間距離有關(guān)。當(dāng)兩信號(hào)線不是很長(zhǎng)時(shí),AB上看到的實(shí)際是兩個(gè)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(hào),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(hào)線的反面是大面積的地時(shí),這種信號(hào)間的交叉干擾就會(huì)變小。原因是,大面積的地減小了信號(hào)線的特性阻抗,信號(hào)在D端的反射大為減小。特性阻抗與信號(hào)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(duì)數(shù)成正比。若AB線為一模擬信號(hào),要避免數(shù)字電路信號(hào)線CD對(duì)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。可用局部屏蔽地,在有引結(jié)的一面引線左右兩側(cè)布以地線。

4、減小來(lái)自電源的噪聲

電源在向系統(tǒng)提供能源的同時(shí),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(qiáng)干擾通過(guò)電源進(jìn)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(hào)更經(jīng)受不住來(lái)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(guò)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(duì)高頻信號(hào)的反射,引線的分布電容會(huì)起作用,當(dāng)長(zhǎng)度大于噪聲頻率相應(yīng)波長(zhǎng)的1/20時(shí),就產(chǎn)生天線效應(yīng),噪聲通過(guò)引線向外發(fā)射。

印刷線路板的過(guò)孔大約引起0.6pf的電容。

一個(gè)集成電路本身的封裝材料引入2~6pf電容。

一個(gè)線路板上的接插件,有520nH的分布電感。一個(gè)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(duì)于這行較低頻率下的微控制器系統(tǒng)中是可以忽略不計(jì)的;而對(duì)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(wèn)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(hào)部分,高速數(shù)字電路部分,噪聲源部分(如繼電器,大電流開(kāi)關(guān)等)這三部分合理地分開(kāi),使相互間的信號(hào)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(duì)于雙面板,地線布置特別講究,通過(guò)采用單點(diǎn)接地法,電源和地是從電源的兩端接到印刷線路板上來(lái)的,電源一個(gè)接點(diǎn),地一個(gè)接點(diǎn)。印刷線路板上,要有多個(gè)返回地線,這些都會(huì)聚到回電源的那個(gè)接點(diǎn)上,就是所謂單點(diǎn)接地。所謂模擬地、數(shù)字地、大功率器件地開(kāi)分,是指布線分開(kāi),而最后都匯集到這個(gè)接地點(diǎn)上來(lái)。與印刷線路板以外的信號(hào)相連時(shí),通常采用屏蔽電纜。對(duì)于高頻和數(shù)字信號(hào),屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號(hào)用的屏蔽電纜,一端接地為好。

對(duì)噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來(lái)。

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(jì)印刷線路板時(shí),每個(gè)集成電路的電源,地之間都要加一個(gè)去耦電容。去耦電容有兩個(gè)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(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)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(shuō)對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦作用,對(duì)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(jìn)入印刷板的地方和一個(gè)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(chēng)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(lái)的,這種卷起來(lái)的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)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(yán)格,可按C=1/f計(jì)算;即10MHz取0.1uf,對(duì)微控制器構(gòu)成的系統(tǒng),取0.1~0.01uf之間都可以。

9、降低噪聲與電磁干擾的一些經(jīng)驗(yàn)

能用低速芯片就不用高速的,高速芯片用在關(guān)鍵地方。

可用串一個(gè)電阻的辦法,降低控制電路上下沿跳變速率。盡量為繼電器等提供某種形式的阻尼。

使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時(shí)鐘。

時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近到用該時(shí)鐘的器件。石英晶體振蕩器外殼要接地。

用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來(lái),時(shí)鐘線盡量短。

I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印刷板邊,讓其盡快離開(kāi)印刷板。對(duì)進(jìn)入印制板的信號(hào)要加濾波,從高噪聲區(qū)來(lái)的信號(hào)也要加濾波,同時(shí)用串終端電阻的辦法,減小信號(hào)反射。

MCD無(wú)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。

閑置不用的門(mén)電路輸入端不要懸空,閑置不用的運(yùn)放正輸入端接地,負(fù)輸入端接輸出端。(10) 印制板盡量使用45折線而不用90折線布線以減小高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合。

印制板按頻率和電流開(kāi)關(guān)特性分區(qū),噪聲元件與非噪聲元件要距離再遠(yuǎn)一些。

單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源和單點(diǎn)接地、電源線、地線盡量粗,經(jīng)濟(jì)是能承受的話用多層板以減小電源,地的容生電感。

時(shí)鐘、總線、片選信號(hào)要遠(yuǎn)離I/O線和接插件。

模擬電壓輸入線、參考電壓端要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號(hào)線,特別是時(shí)鐘。

對(duì)A/D類(lèi)器件,數(shù)字部分與模擬部分寧可統(tǒng)一下也不要交叉。

時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行I/O線干擾小,時(shí)鐘元件引腳遠(yuǎn)離I/O電纜。

元件引腳盡量短,去耦電容引腳盡量短。

關(guān)鍵的線要盡量粗,并在兩邊加上保護(hù)地。高速線要短要直。

對(duì)噪聲敏感的線不要與大電流,高速開(kāi)關(guān)線平行。

石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線。

弱信號(hào)電路,低頻電路周?chē)灰纬呻娏鳝h(huán)路。

任何信號(hào)都不要形成環(huán)路,如不可避免,讓環(huán)路區(qū)盡量小。

每個(gè)集成電路一個(gè)去耦電容。每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。

用大容量的鉭電容或聚酷電容而不用電解電容作電路充放電儲(chǔ)能電容。使用管狀電容時(shí),外殼要接地。

審核編輯:符乾江

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