提高印制電路板的抗干擾能力及電磁兼容的措施

廖君 陸云鵬 柯雪麗

衢州順絡(luò)電路板有限公司，中國(guó)·浙江 衢州 324000

1 引言

不管對(duì)于任何電子產(chǎn)品，印制電路板的制作與安裝是十分重要的，在產(chǎn)品中是電路元件和器件的支撐，并且為這兩者之間提供電氣使這兩者相連。隨著時(shí)代的發(fā)展，越來(lái)越多的電子產(chǎn)品之間需要進(jìn)行相互協(xié)調(diào)工作，所以電子產(chǎn)品內(nèi)部的印制電路板就容易受到其他電子產(chǎn)品的干擾，為了降低這種干擾，增加電路板的電磁兼容性，必須在印制電路板的設(shè)計(jì)與安裝過(guò)程中充分考慮抗干擾性的問(wèn)題，提高電路板的抗干擾能力，減少因電磁兼容問(wèn)題而導(dǎo)致電子產(chǎn)品不能正常工作的情況。如果電路板抗干擾性能力過(guò)弱，那么電子設(shè)備在相應(yīng)的電磁環(huán)境中就不能進(jìn)行正常的運(yùn)作，相應(yīng)的也要減少該設(shè)備對(duì)其他電子設(shè)備印制電路板的干擾。只有提高印制電路板這兩方面的性能，才能夠保證電子設(shè)備在特殊情況下可以正常運(yùn)行。

2 抗干擾能力以及電磁兼容性的概述

電子設(shè)備進(jìn)行工作時(shí)，是通過(guò)發(fā)送電波來(lái)維持機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而這些電波會(huì)或多或少的對(duì)一定范圍內(nèi)的其他電子設(shè)備產(chǎn)生影響，如果說(shuō)某些電子設(shè)備不能夠承受別的設(shè)備運(yùn)行所釋放的電磁波時(shí)，就會(huì)造成設(shè)備故障。如果在一定的電波影響下，該設(shè)備還能夠正常運(yùn)行，這就說(shuō)明該設(shè)備的抗干擾能力和電磁兼容性比較強(qiáng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備代替人工進(jìn)行工作，很多項(xiàng)目都需要多種電子設(shè)備共同工作，所以在該空間內(nèi)的電磁環(huán)境是比較復(fù)雜的，想要設(shè)備可以正常運(yùn)行，就要提高電子設(shè)備的抗干擾能力，還要降低該設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中所散發(fā)的對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響的電磁波。從這兩方面入手，增加電子設(shè)備的使用壽命，提高其工作效率[1]。

3 印制電路板的原理圖設(shè)計(jì)

在研發(fā)印制電路板的工作中，最重要的過(guò)程就是對(duì)電路板進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)畫(huà)出原理圖，一般來(lái)說(shuō)，通常所用的工具為altium designer，通過(guò)該工具可以來(lái)開(kāi)展繪畫(huà)和設(shè)計(jì)工作，而且大部分電路板中所需要的元件樣本都能夠在該工具中找到，只有很少的一部分原件無(wú)法在圖庫(kù)中找到，這可以極大地方便使用者，提高設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)效率。在整個(gè)原理圖設(shè)計(jì)完成以后，研發(fā)者需要對(duì)原理圖進(jìn)行嚴(yán)的檢查與測(cè)試，對(duì)于不合理的地方，及時(shí)提出整改措施，只有檢查測(cè)試合格，以后才能夠進(jìn)行電路板的研發(fā)，在研發(fā)過(guò)程中一定要按照原理圖的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行，不得私自更改原理圖。另外，該工具還可以將原理圖轉(zhuǎn)化為PCB圖。但是這個(gè)工具還是存在一定缺陷的，對(duì)于某些布線的效果，不能滿足具體的情況，仍然需要人力的控制。

4 干擾源的分類(lèi)以及如何應(yīng)對(duì)干擾

電磁干擾的來(lái)源比較廣泛，一般來(lái)說(shuō)通常分為內(nèi)部干擾和外部干擾，而內(nèi)部干擾，又包括外部感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲和內(nèi)部固有的噪聲。外部干擾分為自然噪聲以及人為噪聲，自然噪聲又包括太陽(yáng)輻射，宇宙射線，地球磁場(chǎng)，雷電以及微弱生物電磁場(chǎng)，而人為噪聲，主要包括各種放電現(xiàn)象，工業(yè)高頻設(shè)備，電力輸送線超聲波裝置[2]。

由于大多數(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)的元器件和電路的工作信號(hào)比較低，安裝密度大，這些特點(diǎn)讓電子設(shè)備對(duì)電磁干擾比較敏感，所以經(jīng)?？梢杂绊懺O(shè)備和系統(tǒng)的正常工作，影響施工的進(jìn)度。為了使設(shè)備能夠在存在一定干擾的環(huán)境中正常工作，就必須使印制板具備一定的抑制電磁干擾的能力，一般來(lái)說(shuō)，通常會(huì)從三個(gè)方面來(lái)抑制電磁的干擾，首先是抑制干擾源，從根本上消除或減弱電磁干擾的影響，從周?chē)沫h(huán)境方面入手，減少整體環(huán)境中的干擾。其次是消除或減弱干擾源和受干擾系統(tǒng)之間的電磁噪聲耦合和輻射，通過(guò)切斷干擾源的傳播途徑，或者是提高傳輸路徑對(duì)電磁干擾能力的衰減能力，同干擾原的傳播途徑入手，減輕對(duì)系統(tǒng)的干擾能力，如圖1。最后是從整個(gè)系統(tǒng)本身入手，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，降低對(duì)電磁波等的敏感度。

圖1 干擾源傳播途徑

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)如今應(yīng)用的電路的復(fù)雜程度越來(lái)越高，所需要的處理速度也越來(lái)越快，能夠長(zhǎng)期有效的抑制電磁噪聲的干擾，是系統(tǒng)可以保持穩(wěn)定的重要保證，為了維持各種電子設(shè)備的正常工作，必須采取各種措施。

5 提高系統(tǒng)電磁兼容能力

5.1 電源線處理

在整個(gè)印制板中存在著各種不同電壓的電源線，這些電源線會(huì)連接到每個(gè)芯片上，通過(guò)接通電源來(lái)促使每個(gè)芯片進(jìn)行工作，如果電源中有噪聲，或者電源不干凈，那么這個(gè)噪聲會(huì)傳播到每一個(gè)芯片中，此時(shí)再想減弱噪聲難度比較大?？梢栽陔娫淳€的安裝過(guò)程中就排除其中所含有的噪聲或者其他因素，合理安排電源線[3]。

首先，帶電源線布線的時(shí)候不同電壓值的電源線要分開(kāi)，以免因?yàn)殡妷褐挡煌鴮?duì)其他的電源線造成影響，如圖2。其次，交流和直流的電源也要分開(kāi)，形成各自的運(yùn)行通道，互不干擾。最后在系統(tǒng)的整體運(yùn)行過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)量的變化會(huì)引起沖擊電流在電源線中產(chǎn)生較大的電感分量，所以最好在電源線和地線之間跨接一個(gè)旁路電容，可以有效減少由于電感分量所產(chǎn)生的電壓噪聲。

圖2 不同電壓電源線

5.2 印制板的布線原則

在印制板上導(dǎo)線條的形狀應(yīng)該取決于邏輯電路的工作速度，如果邏輯電路的工作速度低于ttl的速度，那么對(duì)于導(dǎo)線條的形狀沒(méi)有特別的要求，如果邏輯電路的工作速度過(guò)高，應(yīng)該把原有的90°的導(dǎo)線改為45°，有利于減少發(fā)生反射干擾；不能在印制板上留下空白銅箔，如果在硬紙板上存在沒(méi)有用完的空白銅箔，應(yīng)該想辦法讓他們接地，因?yàn)榭瞻椎耐┌乜梢援?dāng)做發(fā)射天線或接受天線，可以接受外界環(huán)境中的電磁波，或者向外界發(fā)出干擾性的電磁波；有些印制板是需要雙面布線的，在這些印制板中，應(yīng)該是兩面線條垂直交叉，減少磁場(chǎng)的耦合，有利于抑制干擾；導(dǎo)線間的距離要盡量放大，如果說(shuō)設(shè)備發(fā)送信號(hào)的頻率比較大的話，那么導(dǎo)線間的距離一定要隨之?dāng)U大，只有這樣才能降低導(dǎo)線之間分布電容的影響，減少導(dǎo)線之間的互相干擾；在高壓電和低壓電以及大電流線路和小電流線路進(jìn)行布局時(shí)，應(yīng)該讓他們之間相互躲避，高壓電和大電流線路很容易對(duì)低壓電和小電流線路造成干擾，在進(jìn)行線路鋪設(shè)過(guò)程中，盡量讓兩者之間遠(yuǎn)離，并采取一定的屏蔽措施；在進(jìn)行電線布局時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免平行走線，如果在許多不得不進(jìn)行平行走線的地方，可以在兩條線路中間加一條隔離走線，能注意的是這條隔離走線，必須接地；在印制板上，比較容易受到干擾的線路，應(yīng)當(dāng)盡量避免與其他容易發(fā)出干擾的線路相接觸，避免他們之間平行走線，并在他們中間采取一定的隔離措施，比如說(shuō)可以設(shè)置一根地線；所有的線路應(yīng)當(dāng)盡量沿著直流地鋪設(shè)，減少交流地布設(shè)，可以有效減少干擾；在一些線路無(wú)法排列，或者只有繞大圈才能走通的情況下，可以直接采用飛線連接，或者阻容元件引線直接跨接；要合理妥善的安裝印制板以外信號(hào)傳輸線，可以有效地抑制噪聲的影響，應(yīng)當(dāng)注意信號(hào)線之間所形成的環(huán)路面積要求要遵循原則，主要的信號(hào)線應(yīng)當(dāng)即在中央避免分散。

6 去耦電容的布置

為了抑制電位差，需要在各集成器件的電源線和地線間分別接入去耦電容，降低電阻，這項(xiàng)工作在印制板的設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)十分常見(jiàn)的工作，對(duì)于去耦電源的布置有多種方法，應(yīng)該根據(jù)普通的電位差以及其他因素來(lái)布置去耦電容。

6.1 電源去耦的概述

電源去耦是指在地線與電源線之間連接去耦電容，一般來(lái)說(shuō)，有兩種電容，一個(gè)為大容量的電解電容和一個(gè)為非電解電容，筆者通過(guò)把干擾分解成高頻干擾和低頻干擾兩部分，然后針對(duì)不同的干擾安裝不同的電解電容，用大電容去掉低頻干擾，用小電容去掉高頻干擾。而不同的去耦電容制作的原料也是不一樣的，低頻的去耦電容大部分都是鋁電容，高頻的去耦電容大部分都是采用云母或者陶瓷電容，這就導(dǎo)致他們的用途不一樣，要針對(duì)不同的情況采用不同的去耦電容，準(zhǔn)確測(cè)算干擾的頻率。

6.2 集成芯片去耦

按照相關(guān)要求，每一個(gè)集成芯片都要安裝一個(gè)陶瓷的電容，但是有時(shí)候也會(huì)遇到印制板容積不足，沒(méi)有空隙安裝電容的情況，這時(shí)可以將芯片分組，每組大約有四到十個(gè)芯片，這一組芯片共用一個(gè)電容，但是要注意此時(shí)所用的電容材質(zhì)多為鋁制電容，電容的功率也要相應(yīng)增大，才能保證有足夠的抗干擾能力。另外要根據(jù)不同的器械和系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定芯片去耦電容安裝的位置，以確保去耦電容能發(fā)揮它最大的作用。

在進(jìn)行電容安裝時(shí)，要盡量縮短電容器的引線，要確保印制板的孔距與電容器的引線間距相符合，此時(shí)電容器的引線是最短的，不僅可以節(jié)約材料，還可以避免因?yàn)橐€過(guò)長(zhǎng)而對(duì)周?chē)渌娐樊a(chǎn)生的干擾。

一定要將電容安裝到正確位置，一般來(lái)說(shuō)電容器一般安裝在芯片的Vcc處和GND線，如果安裝位置不對(duì)，就無(wú)法起到抗干擾的作用，還會(huì)產(chǎn)生新的干擾。

7 電源線及地線的設(shè)計(jì)

7.1 地線寬度的設(shè)計(jì)

地線越粗，在印制板上可以通過(guò)的電流就可以越大，地線越粗對(duì)導(dǎo)線電阻的降低作用就會(huì)越大，因此在現(xiàn)實(shí)情況允許的條件下，盡可能加粗地線的寬度，一般來(lái)說(shuō)，地線的寬度大約在2mm～3mm，在這個(gè)寬度下，印制板上可以承受的電流就可以滿足大多數(shù)器械和系統(tǒng)的需要，也不會(huì)受到太多的干擾。

7.2 地線構(gòu)成閉環(huán)路

目前最常用的地線形狀為閉環(huán)路和梳子狀，早些年，大部分地線都是梳子狀的，但是它的抗干擾能力比較弱，相對(duì)來(lái)說(shuō)，閉環(huán)路才能更大程度上降低路線的抗阻，還可以縮短線路的環(huán)路，減少干擾。但是在閉環(huán)路構(gòu)建時(shí)，環(huán)路的面積越小它的抗干擾能力就越強(qiáng)。

7.3 印刷電路板分區(qū)集中并聯(lián)一點(diǎn)接地

通常情況下，一個(gè)印刷版上會(huì)分有好幾個(gè)功能區(qū)，為了達(dá)到更高的抗干擾效果，也為了讓印刷版更加整潔，可以把同一功能的元件集中在一點(diǎn)接地，這樣就避免了地線中的電流流到別的功能區(qū)，對(duì)別的線路造成干擾，另外還可以將各功能區(qū)的接地塊與主機(jī)的電源地相連接，為了減少阻抗，地線和電源線都要用采用大面積匯流排，并且要盡量加粗地線。

7.4 在高頻工作時(shí)印制板應(yīng)該如何接地

在很多情況下，印制板都要進(jìn)行高頻工作，所發(fā)出的高頻數(shù)字信號(hào)會(huì)對(duì)周?chē)目臻g內(nèi)產(chǎn)生干擾，為了抑制這些干擾可以相應(yīng)的加粗地線，來(lái)降低干擾對(duì)地的阻抗。另外還可以采取滿接地的方式，在印制板上除了要發(fā)送信號(hào)的元件外，在所有沒(méi)被元件占領(lǐng)的面積全部作為接地線，可以在很大程度上減少阻抗。在一些工作頻率很大的印制板上安裝接地板，擴(kuò)大接地面積，應(yīng)該選取鋁板或者鐵板作為接地板，可以更好的導(dǎo)電。為了加強(qiáng)抗干擾能力還可以安裝兩塊接地板，把印制板夾在兩塊接地板中間，形成一個(gè)很好的隔離效果，在安裝時(shí)要注意，盡量縮小接地板和印刷板之間的縫隙，最大程度上降低噪聲的干擾，其次接地板必須連接信號(hào)地端，并尋找合適的接地點(diǎn)，否則將達(dá)不到一個(gè)好的抗干擾效果。

7.5 電源線的設(shè)置

在電源線進(jìn)行設(shè)置時(shí)除了要注意根據(jù)電流的大小盡量加粗地線的寬度，還要讓電源線，地線的走向與數(shù)據(jù)線的傳輸方向保持一致，也可以在很大程度上提高抗干擾能力。

8 存儲(chǔ)器的布線

在印刷板配置的存儲(chǔ)器抗干擾能力比較弱，在對(duì)其進(jìn)行開(kāi)關(guān)時(shí)電流變化比較大，而且運(yùn)行功率很高，為了防止外界對(duì)它的干擾。首先，可以盡量縮短各種電線的長(zhǎng)度，而且要保證各種線的布線方向保持一致，如數(shù)據(jù)線，控制線等，采取相同的布線方式，所產(chǎn)生的阻抗就會(huì)比較一致，可以采取相同的方式進(jìn)行來(lái)降低干擾。其次，為了解決開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的干擾可以在開(kāi)關(guān)處接入去耦電容。另外可以通過(guò)加粗地線和電源線的方式，增大可以承受的電流大小，還要保證走線盡量短，可以防止各線路之間的相互干擾。最后，可以在存儲(chǔ)器上安裝一個(gè)上拉的電阻，來(lái)提高對(duì)噪聲的容限，這也是一種最常見(jiàn)的方式。

9 結(jié)語(yǔ)

印制板的整體運(yùn)行功能決定了整個(gè)設(shè)備或者系統(tǒng)的運(yùn)行效率，而在印制板運(yùn)行過(guò)程中最重要的問(wèn)題就是要控制干擾，提高印制板中各個(gè)元件的電磁兼容能力，通過(guò)以上的分析，對(duì)于抗干擾能力的提升可以通過(guò)多個(gè)方面進(jìn)行，因此在印制板的制作組裝過(guò)程中充分運(yùn)用各種方式來(lái)提高抗干擾能力，提升電磁兼容性。