PCB板設計原則和抗干擾措施

何信民 唐晴晴

摘要：介紹了作者在印刷電路板制作過程中的體會，并總結了印刷電路板設計的一般原則和抗干擾措施。

關鍵詞：印刷電路板;PCB;布局;干擾

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備的復雜性函數，要消除一些特殊的、小概率的干擾，就要采用特殊的、更復雜的硬件抗干擾電路。但過多地采用硬件抗干擾措施，會明顯提高產品的常規成本，且硬件數量的增加，還會產生新的干擾，導致系統的可靠性下降。所以應根據設計條件和目標要求，合理采用一些硬件抗干擾措施，提高系統的抗干擾能力。

1、PCB設計的一般原則

要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導線的布設是很重要的。為了設計質量好、造價低的PCB板，應遵循以下一般原則：

1.1布局：

首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。

在確定PCB尺寸后.再確定特殊元件的位置。對于特殊元件的位置要遵守以下原則：

（1）盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。

（2）某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。

（3）重量超過15g的元器件、應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題。

（4）對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。

（5）應留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根據電路的功能單元。

1.2布線

布線的原則如下：

（1）輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行，最好加線接地線，以免發生反饋耦合。

（2）印制攝導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.05mm、寬度為1～15mm時，通過2A的電流，溫度不會高于3℃，因此，導線寬度為1.5mm可滿足要求。

（3）印制導線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發生銅箔膨脹和脫落現象。

1.3焊盤

焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。

焊盤外徑D一般不小于（d+1.2）mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數字電路，焊盤最小直徑可取（d+1.0）mm。

2、PCB板電路抗電磁干擾及措施

2.1下面的這些系統要特別注意電磁干擾：

（1）微控制器的時鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統;

（2）系統含有大功率，大電流驅動電路，如產生大火花的繼電器，大電流開關等;

（3）含微弱模擬信號電路以及高精度A/D變換電路的系統。

2.2為增加系統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射出去成為噪聲源，微控制器產生的最有影響的高頻噪聲的頻率大約是其時鐘頻率的3倍。

（2）減小信號傳輸中的畸變

微控制器主要采用高速CMOS技術制造。信號輸入端靜態輸入電流在1A左右，輸入電容10P左右，輸入阻抗相當高，高速CMOS電路的輸出端都有相當的帶載能力，及相當大的輸出值，將一個門的輸出端通過一段很長的線引到輸入阻抗相當高的輸入端，發射問題就很嚴重，它會引起信號畸變。增加系統噪聲。

（3）減少信號線間的交叉干擾

CMOS工藝制造的微控制由阻抗高，噪聲高，噪聲容限也很高，數字電路是迭加100～200mv噪聲并不影響其工作。但是，對于模擬信號來說，這種干擾就變為不能容忍。

2.3PCB板的設計

制電路板的抗干擾設計與具體電路有著密切的關系，這里僅就PCB抗電磁干擾設計的幾項常用措施做一些說明。地線設計的原則是：

（1）數字地與模擬地分開。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應使它們盡量分開。低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地。高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而粗，高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積地箔。

（2）接地線應盡量加粗。若接地線用很細的線條，則接地電位隨電流的變化而變化，使抗噪性能降低。因此應將接地線加粗，使它能通過三倍于印制板上的允許電流。

（3）接地線構成閉環路。只由數字電路組成的印制板，其接地電路布成團環路大多能提高抗噪聲能力。

（4）大面積接地。工作在高頻時，為了減少噪聲干擾，應要求PCB板要大面積接地。

3、數字信號和模擬信號的接地

但在設計PCB板時，到底哪些部分屬于數字區域，哪些部分屬于模擬信號區域，我們無法將其嚴格進行區分，比如在電路中，電源部分是共用的，在設計PCB時它應該歸屬于哪一部分？在PCB設計中，常用的抗干擾方法就是將數字電路和模擬電路區分開來，畫在不同的區域。但像上面所說的并不能嚴格區分的部分又該怎么來設計？在設計電路時如何區分是模擬信號還是數字信號關鍵在于與該信號相關的芯片是數字還是模擬的，電源部分給模擬電路供電，將其歸屬于模擬部分，給數字類芯片供電，即將其歸屬于數字部分，而當兩部分混合共用同一個電源時就需要用“橋”的方法將電源從另一部分引過來。上面這種抗干擾系統是目前較為常用的一種方法，但是此種方法在一些小的系統或者小的電路板中適用，在大的電路系統中該方法就有很多的潛在問題，尤其是在復雜的系統中更為突出，在跨越分布間隙布線時，EMI問題隨之而來。比如一個典型的A/D轉換器在使用的時候，制造廠商會建議將A/D轉換器的AGND和DGND使用最短的導線連接起來，連到一個低阻抗的地上。這樣可以使用上面的方法在A/D轉換器下面，在兩個地之間用與IC等寬度的連接橋連接（注意：任何信號線都不能跨越分割間隙）。但是如果系統中有較多的A/D轉換器，每一個都是按照上面的方式來接連，則會產生多點連接，將數字地和模擬地隔離將毫無意義，此時應使用統一地，將統一地人為的分開為數字地和模擬地兩部分，這樣就既可以滿足廠家的要求又可以最大限度的減少EMI問題。

4、高頻信號抗干擾分析

在設計高頻信號的PCB電路板時一定要注意，任何金屬或者導線都可以看作成為由電阻、電感、電容組成的器件，電路板中25mm長的印制導線可以產生15-20nH的電感。因此在PCB設計中的接地時要盡量采用多點接地策略，讓每一個電路系統就近接入最低阻抗的接地線上，使接地線最短，盡可能的減少接地阻抗及減少地線之間的電感和分布電容造成的電路之間的互相偶合。在設計PCB時多點接地最簡單的方法就是全部覆銅，將元件的接地點就近的連接到覆銅上，占了PCB面積絕大多半的接地平面就提供了一個具有極低接地阻抗的“參考地面”，各個元件和單元電路之間互相就杜絕了不需要的高頻偶合。高頻電路板中的數字地和模擬地要單獨處理。高頻數字信號的地線的地電位一般是不一致的，兩者這間常常存在一定的電壓差，而且高頻數字信號的地線還常常帶有非常豐富的高頻信號的諧波分量，當直接連接數字信號地線和模擬信號地線時，高頻信號的諧波就會通過地線耦合的方式對模擬信號進行干擾。通常情況下，對高頻數字信號的地線和模擬信號的地線是要做隔離的，采用在合適位置單點互聯的方式，或者采用高頻扼流磁珠互聯的方式。

5、總結

PCB設計及制作技術的發展直接帶動著大規模集成電路產業的發展，而集成電路在各行業領域的應用也日趨寬泛，因此PCB設計中的噪聲抑制問題也變得越來越重要，特別是在軍工、航空航天等對產品要求極為嚴苛的領域，PCB板上的噪聲問題如果沒有得到妥善解決可能會帶來嚴重的后果。

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