PCB設(shè)計(jì)中的抗干擾技術(shù)

陳宇澤+宋緒勇

摘 要：印制電路板即PCB在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中是非常重要的。在印制電路板的使用過(guò)程中，不僅需要保證其電路元器件的電氣能夠準(zhǔn)確連接，同時(shí)也需要考慮印制電路板自身的干擾問(wèn)題，因此有必要不斷對(duì)其中存在的問(wèn)題進(jìn)行方法研究，并對(duì)其中的干擾問(wèn)題提出相應(yīng)的解決辦法。介紹了PCB設(shè)計(jì)中的主要干擾問(wèn)題，包括印制電路板的布局類、板層類和走線類問(wèn)題，并給出了相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞： PCB設(shè)計(jì)；電路板抗干擾技術(shù)；電子產(chǎn)品

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.163

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電子產(chǎn)品的種類在不斷增加，內(nèi)容也越來(lái)越復(fù)雜，電子產(chǎn)品和設(shè)備的結(jié)構(gòu)在逐漸優(yōu)化，印制電路板設(shè)計(jì)也逐漸呈現(xiàn)出多層次化和高密度化的特點(diǎn)，PCB設(shè)計(jì)中所具有的各個(gè)方面的干擾問(wèn)題也逐漸引起人們的關(guān)注和重視。當(dāng)前所使用的電磁兼容性設(shè)計(jì)能夠?qū)τ≈齐娐钒宓碾娐氛＿\(yùn)行和穩(wěn)定工作起到重要的推動(dòng)作用，使得這些電路之間不會(huì)相互干擾，并且有效抑制PCB 的對(duì)外輻射及傳導(dǎo)發(fā)射。

1 PCB設(shè)計(jì)的干擾種類

PCB設(shè)計(jì)在干擾問(wèn)題中的研究逐漸深入并取得了一些成果。印制電路板產(chǎn)生的干擾主要有三個(gè)方面的內(nèi)容，首先是布局類干擾問(wèn)題，這一問(wèn)題主要是由于印制電路板中元件的放置位置的不合理而造成印制電路板產(chǎn)生干擾問(wèn)題，其次是板層類干擾的問(wèn)題，這類問(wèn)題主要指的是由于印制電路板的設(shè)置不科學(xué)現(xiàn)象的存在，從而產(chǎn)生的噪聲干擾的問(wèn)題，最后是走線類干擾問(wèn)題，這一問(wèn)題主要是由于印制電路板的信號(hào)線以及電源線和地線之間的線距離設(shè)置或者線寬度設(shè)置的不合理導(dǎo)致，或者是印制電路板布線方法不適當(dāng)所產(chǎn)生的。根據(jù)PCB使用過(guò)程中所產(chǎn)生的干擾類型，可以分別使用布局規(guī)則、分層對(duì)策和走線規(guī)則抑制等具體的措施對(duì)干擾問(wèn)題進(jìn)行有效抑制和解決，從而削弱或者消除印制電路板所受到的干擾，使得設(shè)計(jì)逐漸符合電磁兼容性的要求。

2 PCB干擾問(wèn)題的抑制對(duì)策

2.1 布局類干擾問(wèn)題的抑制對(duì)策

印制電路板的布局首先需要根據(jù)信號(hào)的流動(dòng)合理設(shè)置印制電路板中的每個(gè)功能模塊的電路位置，同時(shí)盡量確保信號(hào)走向保持一致。在印制電路板的位置布局中，一般的將其中心設(shè)置為模塊電路的核心元件。對(duì)印制電路板中的各個(gè)元器件間的走線，尤其是高頻器件之間的引線進(jìn)行必要的縮短。其次是在印制電路板集成熱敏元件和芯片等部件的處理上，需要和發(fā)熱元件保持比較遠(yuǎn)的距離。結(jié)合PCB板上的元器件的具體位置，合理確定連接器的位置，一般將連接器放置在PCB板的同一邊，避免電纜從印制電路板兩側(cè)引出的情況，從而減小共模電流輻射。敏感元器件不能夠太近，輸入和輸出元件應(yīng)與其保持足夠的距離。最后是盡量確保印制電路板中的驅(qū)動(dòng)器和連接器位置接近，避免信號(hào)的長(zhǎng)距離走線現(xiàn)象。

2.2 板層類干擾問(wèn)題的抑制對(duì)策

為了解決印制電路板中板層類干擾問(wèn)題，需要對(duì)印制電路板的設(shè)計(jì)信息、信號(hào)的密集程度、電源以及地（GND）需求加以考慮，從而確定電路合理的電源設(shè)計(jì)和布線層數(shù)。采取的分層對(duì)策是否合理將直接影響GND層、電源層的瞬態(tài)電壓和信號(hào)的電磁場(chǎng)屏蔽效果。一般情況下，如果是多層板（兩層以上），則此時(shí)信號(hào)層需設(shè)計(jì)緊挨電源層或GND層，電源層和GND層應(yīng)相鄰且間距盡可能短。如果是單層板或雙層板，則需要關(guān)注的就是電源線和信號(hào)線的設(shè)計(jì)。為了保證電源電流的回路面積足夠小，通常電源線和GND平行設(shè)計(jì)且緊鄰。對(duì)于單層板，一般在重要的信號(hào)線兩邊布下安全地線，防止信號(hào)線之間的串?dāng)_，減小信號(hào)回路面積。對(duì)于雙層板也可以這么做，或者保證在重要信號(hào)的投射面上的GND層足夠大。值得注意的是，這種單雙板設(shè)計(jì)并不適用于數(shù)字（digital）電路或數(shù)模電路，主要是由于沒(méi)有參考平面，導(dǎo)致平行走線現(xiàn)象和輻射增強(qiáng)。

如果PCB設(shè)計(jì)預(yù)算比較充足，可以使用多層板。此時(shí)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）全局時(shí)鐘線（CLK）或總線等具有高敏感度或強(qiáng)輻射的信號(hào)線，一般設(shè)置在與GND層緊鄰的信號(hào)層或兩個(gè)GND層之間。這樣做的目的是減小信號(hào)回路面積，削弱輻射強(qiáng)度，提高板子的抗干擾性。2）高頻信號(hào)線一般不設(shè)置在頂層或底層，從而減小其對(duì)外部的傳導(dǎo)輻射。3）電源層的設(shè)計(jì)應(yīng)相比于鄰層內(nèi)部縮進(jìn)5-20H（介質(zhì)厚度單位），目的是為了減弱邊緣輻射。

2.3 走線類干擾問(wèn)題的抑制對(duì)策

進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少走線類干擾，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：1）避免走線走直角（90度），通常以135度角或者圓弧走線代替。2）導(dǎo)線設(shè)置寧寬勿長(zhǎng)，目的是減小導(dǎo)線阻抗。3）為了減少平行串?dāng)_，一般避免輸入導(dǎo)線和輸出導(dǎo)線的平行走線，或在二者中間穿插布置GND線。4）盡量減小導(dǎo)線走線回路，尤其是有電流經(jīng)過(guò)時(shí)，目的是減小栽流回路的對(duì)外輻射。5）設(shè)置key signal（關(guān)鍵信號(hào)），包括分流隔離和保護(hù)路線信號(hào)。6）在相同層的布線布局中，應(yīng)確保相鄰線（尤其是信號(hào)線）的物理隔離，防止串?dāng)_和噪聲耦合現(xiàn)象。7）電源線寬度盡量大，一般設(shè)置最少25mil（線寬單位），減小環(huán)路電阻，且走線方向應(yīng)與信號(hào)走線一致。8）三層以上電路板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的電源層，盡量做到各功能模塊的獨(dú)立供電。以上提到的是PCB布線時(shí)應(yīng)遵循的基本原則，此外還需根據(jù)電路板具體情況，結(jié)合實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行不同情況的細(xì)致布線。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前PCB設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜化和多層化，數(shù)據(jù)信號(hào)趨于高頻化，不能僅限于功能實(shí)現(xiàn)，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就考慮到各種干擾因素。做到科學(xué)分層，合理布局布線，保證信號(hào)質(zhì)量純凈，信號(hào)傳輸過(guò)程穩(wěn)定可靠。目前市場(chǎng)上也已經(jīng)出現(xiàn)了針對(duì)PCB設(shè)計(jì)時(shí)的電路仿真驗(yàn)證工具，如Mentor Graphics公司的HyperLynx，它可實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性分析，電源完整性分析，電磁兼容分析等功能，這些都將有力提升印制電路板的設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平。

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