PCB Tecnico - Dal PCB alla MCU, ti darà una visione approfondita su come resistere alle interferenze

Principi di progettazione anti-interferenza per il disegno della scheda PCB

1. Disposizione del filo di terra:

1). Il terreno digitale è separato dal terreno analogico.

2). Il filo di messa a terra dovrebbe essere il più spesso possibile, in modo che possa passare 3 volte la corrente ammissibile sul bordo stampato e generalmente dovrebbe essere 2 ~ 3mm.

3). Il filo di messa a terra dovrebbe formare un ciclo infinito per quanto possibile, in modo da ridurre la differenza di potenziale del filo di messa a terra.

2. Layout del cavo di alimentazione:

1). Secondo la dimensione corrente, cercare di allargare il cablaggio del cavo.

2). La direzione del cavo di alimentazione e del cavo di massa dovrebbe essere coerente con la direzione della trasmissione dei dati.

3). Un condensatore di disaccoppiamento di 10 ~ 100μF dovrebbe essere collegato all'estremità di ingresso di potenza della scheda stampata.

3. Configurazione del condensatore di disaccoppiamento:

1). I cavi di piombo dei condensatori di disaccoppiamento non dovrebbero essere troppo lunghi, in particolare i condensatori di bypass ad alta frequenza non dovrebbero avere cavi di piombo.

2). Collegare un condensatore elettrolitico 10 ~ 100μF attraverso l'estremità di ingresso di potenza della scheda stampata ed è meglio se può essere più grande di 100μF.

3). Collegare un condensatore ceramico 0.01 ~ 0.1μF tra Vcc e GND di ogni chip integrato. Se lo spazio non è consentito, un condensatore di tantalio 1~10μF può essere configurato per ogni chip 4~10.

4). I dispositivi con debole capacità anti-rumore e grande cambiamento nella corrente di spegnimento, così come ROM e RAM, dovrebbero disaccoppiare indirettamente i condensatori tra Vcc e GND.

5). Abbinare un condensatore di disaccoppiamento 0.01μF sul terminale di reset "RESET" del microcontrollore.

4. configurazione del dispositivo:

1). I terminali di ingresso dell'orologio del generatore di clock, dell'oscillatore di cristallo e della CPU dovrebbero essere il più vicino possibile e lontani da altri dispositivi a bassa frequenza.

2). Tenere il più possibile piccoli circuiti di corrente e circuiti ad alta corrente lontani dai circuiti logici.

3). La posizione e la direzione della scheda stampata nel telaio dovrebbero garantire che il dispositivo con una grande quantità di calore sia sulla parte superiore.

5. Separare la linea elettrica, la linea CA e la linea del segnale

La linea elettrica e la linea CA dovrebbero essere posizionati su una scheda diversa dalla linea del segnale il più possibile, altrimenti dovrebbero essere instradati separatamente dalla linea del segnale.

6. Altri principi:

1). Durante il cablaggio, le linee di indirizzo dovrebbero essere il più lungo possibile e il più breve possibile.

2). Aggiungere una resistenza pull-up di circa 10K al bus, che è utile per anti-interferenza.

3). Le linee su entrambi i lati del PCB dovrebbero essere disposte verticalmente per quanto possibile per evitare interferenze reciproche.

4). La dimensione del condensatore di disaccoppiamento è generalmente C=1/F e F è la frequenza di trasmissione dei dati.

5). I perni inutilizzati sono collegati a Vcc attraverso una resistenza pull-up (circa 10K), o collegati in parallelo con i perni utilizzati.

6). I componenti che generano calore (come resistenze ad alta potenza, ecc.) dovrebbero evitare componenti che sono facilmente influenzati dalla temperatura (come condensatori elettrolitici, ecc.).

7). L'uso della decodifica completa ha prestazioni anti-inceppamento più forti rispetto alla decodifica della linea.

Al fine di sopprimere l'interferenza dei dispositivi ad alta potenza sul circuito degli elementi digitali del microcontrollore e l'interferenza del circuito digitale sul circuito analogico, un anello di strozzatura ad alta frequenza dovrebbe essere utilizzato quando la terra digitale e la terra analogica sono collegati a un punto di terra comune. Questo è un materiale magnetico cilindrico ferrite. Ci sono diversi fori nella direzione assiale. Un filo di rame più spesso viene utilizzato per passare attraverso i fori e avvolgere uno o due giri. Questo tipo di dispositivo può essere considerato come impedenza zero per i segnali a bassa frequenza., L'interferenza ai segnali ad alta frequenza può essere considerata come un induttore. (A causa della grande resistenza DC dell'induttore, l'induttore non può essere utilizzato come choke ad alta frequenza).

Quando sono collegati cavi di segnale diversi dal circuito stampato, solitamente vengono utilizzati cavi schermati. Per i segnali ad alta frequenza e i segnali digitali, entrambe le estremità del cavo schermato dovrebbero essere messe a terra. Per i cavi schermati per segnali analogici a bassa frequenza, un'estremità dovrebbe essere messa a terra.

I circuiti che sono molto sensibili al rumore e alle interferenze o circuiti che sono particolarmente rumorosi ad alta frequenza dovrebbero essere schermati con un coperchio metallico. L'effetto della schermatura ferromagnetica sul rumore ad alta frequenza 500KHz non è evidente e l'effetto schermante del rame sottile è migliore. Quando si utilizzano viti per fissare lo scudo, prestare attenzione alla corrosione causata dalla differenza di potenziale causata dal contatto di diversi materiali.

7. fare buon uso dei condensatori di disaccoppiamento

Il condensatore di disaccoppiamento tra l'alimentazione del circuito integrato e la terra ha due funzioni: da un lato, è il condensatore di accumulo di energia del circuito integrato e, dall'altro, bypassa il rumore ad alta frequenza del dispositivo. Il valore tipico del condensatore di disaccoppiamento nei circuiti digitali è 0,1μF. Il valore tipico dell'induttanza distribuita di questo condensatore è 5μH. Il condensatore di disaccoppiamento 0.1μF ha un'induttanza distribuita di 5μH e la sua frequenza di risonanza parallela è di circa 7MHz. Vale a dire, ha un migliore effetto di disaccoppiamento per il rumore al di sotto dei 10 MHz e ha poco effetto sul rumore al di sopra dei 40 MHz.

Condensatori di 1μF e 10μF e la frequenza di risonanza parallela è superiore a 20MHz, l'effetto di rimuovere il rumore ad alta frequenza è migliore.

Ogni 10 pezzi di circuiti integrati devono aggiungere un condensatore di carica e scarica, o un condensatore di accumulo di energia, circa 10μF può essere selezionato. È meglio non utilizzare condensatori elettrolitici. I condensatori elettrolitici sono arrotolati con due strati di pellicola. Questa struttura arrotolata si comporta come induttanza alle alte frequenze. Utilizzare condensatori al tantalio o condensatori in policarbonato.

La selezione dei condensatori di disaccoppiamento non è critica, e C=1/F, cioè 0.1μF per 10MHz e 0.01μF per 100MHz.

Durante la saldatura, i perni del condensatore di disaccoppiamento dovrebbero essere il più brevi possibile. I perni lunghi faranno sì che il condensatore di disaccoppiamento stesso si auto-risoni. Ad esempio, la frequenza autoresonante di un condensatore ceramico 1000pF con una lunghezza del perno di 6.3mm è di circa 35MHz e quando la lunghezza del perno è di 12.6mm, è 32MHz.

8. Esperienza nella riduzione del rumore e delle interferenze elettromagnetiche

Principi di progettazione anti-inceppamento dei circuiti stampati:

1). Una serie di resistenze può essere utilizzata per ridurre la velocità di salto dei bordi superiori e inferiori del circuito di controllo.

2). Cercate di rendere il potenziale intorno al circuito del segnale dell'orologio vicino a 0, cerchiate l'area dell'orologio con il cavo di terra e il cavo dell'orologio dovrebbe essere il più corto possibile.

3). La linea di clock perpendicolare alla linea I/O ha meno interferenze rispetto al parallelo alla linea I/O.

4). Il circuito di azionamento I/O è il più vicino possibile al bordo della scheda stampata.

5). Non lasciare il terminale di uscita del circuito gate che non è in uso. Il terminale di ingresso positivo dell'amplificatore operativo inutilizzato dovrebbe essere messo a terra e il terminale di ingresso negativo dovrebbe essere collegato al terminale di uscita.

6). Prova a utilizzare linee pieghevoli a 45° invece di linee pieghevoli a 90°, cablaggio per ridurre l'emissione esterna e accoppiamento di segnali ad alta frequenza.

7). I perni del componente devono essere il più corti possibile.

8). Non far scorrere fili sotto il cristallo di quarzo o sotto componenti particolarmente sensibili al rumore.

9). Non formare un ciclo di corrente intorno al circuito di segnale debole e al filo di terra del circuito a bassa frequenza.

10). Quando necessario, aggiungere il choke ad alta frequenza della ferrite al circuito per separare segnale, rumore, potenza e terra.

Una via sul circuito stampato provoca una capacità di circa 0.6pF; il materiale di imballaggio di un circuito integrato provoca una capacità distribuita di 2pF~10pF; un connettore su un circuito stampato ha un'induttanza distribuita di 520μH; La presa a circuito integrato a 24 pin introduce l'induttanza distribuita 4μH~18μH.

Progettazione anti-inceppamento del circuito digitale e del microcomputer a singolo chip

Nella progettazione del sistema elettronico, al fine di evitare deviazioni e risparmiare tempo, i requisiti anti-interferenza dovrebbero essere pienamente presi in considerazione e soddisfatti e le misure anti-interferenza dovrebbero essere evitate dopo il completamento della progettazione. Ci sono tre elementi di base che causano interferenze:

1) La sorgente di interferenza si riferisce al componente, all'apparecchiatura o al segnale che produce interferenze. È descritto in linguaggio matematico come segue: du/dt, il luogo in cui di/dt è grande è la fonte di interferenza. Ad esempio, fulmini, relè, tiristori, motori, orologi ad alta frequenza, ecc. possono diventare fonti di interferenza.

2) I dispositivi sensibili si riferiscono a oggetti che sono facilmente disturbati. Come: A/D, convertitore D/A, microcomputer singolo chip, IC digitale, amplificatore di segnale debole, ecc.

3) Percorso di propagazione si riferisce al percorso o mezzo attraverso il quale l'interferenza si propaga dalla sorgente di interferenza al dispositivo sensibile. Il tipico percorso di propagazione delle interferenze è la conduzione attraverso fili e radiazioni dallo spazio.

Il principio di base della progettazione anti-interferenza è sopprimere la sorgente di interferenza, tagliare il percorso di propagazione delle interferenze e migliorare le prestazioni anti-interferenza dei dispositivi sensibili. (Simile alla prevenzione delle malattie infettive)

1. Sopprimere le fonti di interferenza

Sopprimere la sorgente di interferenza è ridurre il più possibile il du/dt e di/dt della sorgente di interferenza. Questa è la migliore considerazione e il principio più importante nella progettazione anti-inceppamento e spesso ha l'effetto di ottenere il doppio del risultato con metà dello sforzo. La riduzione del du/dt della sorgente di interferenza si ottiene principalmente collegando condensatori in parallelo ad entrambe le estremità della sorgente di interferenza. La riduzione del di/dt della sorgente di interferenza si ottiene collegando l'induttanza o la resistenza in serie con il loop della sorgente di interferenza e aggiungendo un diodo a ruota libera.

Le misure comuni per sopprimere le fonti di interferenza sono le seguenti:

1) Evitare le linee pieghevoli a 90 gradi durante il cablaggio per ridurre l'emissione di rumore ad alta frequenza.

2) Un diodo freewheeling è aggiunto alla bobina del relè per eliminare l'interferenza back-EMF generata quando la bobina è scollegata. Solo l'aggiunta di un diodo a ruota libera farà ritardare il tempo di inattività del relè. Dopo aver aggiunto un diodo Zener, il relè può funzionare più volte per unità di tempo.

3) Collegare un circuito di soppressione della scintilla in parallelo ad entrambe le estremità del contatto del relè (solitamente un circuito di serie RC, la resistenza è generalmente selezionata da pochi K a decine di K e il condensatore è 0.01uF) per ridurre l'impatto delle scintille elettriche.

4) Aggiungere un circuito filtrante al motore e prestare attenzione ai cavi condensatori e induttanza più brevi possibili.

5) Ogni IC sul circuito stampato dovrebbe essere collegato con un condensatore ad alta frequenza 0.01μF～0.1μF in parallelo per ridurre l'influenza del IC sull'alimentazione elettrica. Prestare attenzione al cablaggio dei condensatori ad alta frequenza. Il cablaggio deve essere vicino al terminale di alimentazione e il più breve possibile. Altrimenti, la resistenza di serie equivalente del condensatore sarà aumentata, che influenzerà l'effetto filtrante.

6) Entrambe le estremità del tiristor sono collegate in parallelo al circuito di soppressione RC per ridurre il rumore generato dal tiristor (questo rumore può rompere il tiristor). Secondo il percorso di propagazione dell'interferenza, può essere diviso in due tipi: interferenza condotta e interferenza irradiata.

La cosiddetta interferenza condotta si riferisce all'interferenza che si propaga ai dispositivi sensibili attraverso cavi. Le bande di frequenza del rumore di interferenza ad alta frequenza e dei segnali utili sono diversi. È possibile interrompere la propagazione del rumore di interferenza ad alta frequenza aggiungendo un filtro sul filo, e a volte è possibile aggiungere un optocoppiatore di isolamento per risolverlo. Il rumore di alimentazione è il più dannoso, quindi prestare particolare attenzione alla manipolazione. La cosiddetta interferenza irradiata si riferisce all'interferenza che si propaga ai dispositivi sensibili attraverso la radiazione spaziale. La soluzione generale è aumentare la distanza tra la sorgente di interferenza e il dispositivo sensibile, isolarli con un filo di terra e aggiungere uno scudo sul dispositivo sensibile.

2. Le misure comuni per tagliare il percorso di propagazione delle interferenze sono le seguenti:

1) Considerare pienamente l'impatto dell'alimentazione elettrica sul microcontrollore. Se l'alimentazione elettrica è fatta bene, l'anti-interferenza di tutto il circuito sarà risolta più della metà. Molti microcomputer a chip singolo sono molto sensibili al rumore dell'alimentazione elettrica. È necessario aggiungere un circuito filtrante o un regolatore di tensione all'alimentazione del microcomputer a chip singolo per ridurre l'interferenza del rumore dell'alimentazione elettrica al microcomputer a chip singolo. Ad esempio, perline magnetiche e condensatori possono essere utilizzati per formare un circuito filtrante a forma di π. Naturalmente, le resistenze 100Ω possono essere utilizzate al posto delle perle magnetiche quando le condizioni non sono elevate.

2) Se la porta I/O del microcomputer a chip singolo viene utilizzata per controllare i dispositivi acustici come motori, l'isolamento deve essere aggiunto tra la porta I/O e la sorgente di rumore (aggiungere un circuito filtrante a forma di π). Per controllare i dispositivi acustici come i motori, l'isolamento deve essere aggiunto tra la porta I/O e la sorgente di rumore (aggiungere un circuito filtrante a forma di π).

(3) Prestare attenzione al cablaggio dell'oscillatore di cristallo. L'oscillatore di cristallo è il più vicino possibile ai perni del microcontrollore, l'area dell'orologio è isolata con un filo di terra e il guscio dell'oscillatore di cristallo è messo a terra e fissato. Questa misura può risolvere molti problemi difficili.

4) divisione ragionevole del circuito stampato, quali segnali forti e deboli, segnali digitali e analogici. Tenere le fonti di interferenza (come motori, relè) lontane da componenti sensibili (come microcomputer a chip singolo) per quanto possibile.

(5) Separare l'area digitale dall'area analogica con un cavo di terra, separare la terra digitale dalla terra analogica e infine collegarla alla terra di alimentazione in un punto. Anche il cablaggio dei chip A/D e D/A si basa su questo principio. I produttori hanno preso in considerazione questo requisito quando assegnano le disposizioni dei pin chip A/D e D/A.

(6) I fili di terra del microcomputer a chip singolo e dei dispositivi ad alta potenza dovrebbero essere messi a terra separatamente per ridurre l'interferenza reciproca. Posizionare i dispositivi ad alta potenza sul bordo del circuito stampato il più possibile.

(7) L'uso di componenti anti-interferenza quali perline magnetiche, anelli magnetici, filtri di alimentazione e scudi in luoghi chiave come la porta I/O MCU, il cavo di alimentazione e la linea di collegamento del circuito può migliorare significativamente le prestazioni anti-interferenza del circuito.

3. Migliorare le prestazioni anti-interferenza dei dispositivi sensibili

Migliorare le prestazioni anti-interferenza dei dispositivi sensibili si riferisce al metodo per ridurre al minimo il rilevamento del rumore di interferenza dal lato dei dispositivi sensibili e recuperare da condizioni anormali il prima possibile.

Le misure comuni per migliorare le prestazioni anti-interferenza dei dispositivi sensibili sono le seguenti:

(1) Minimizzare l'area del loop del ciclo durante il cablaggio per ridurre il rumore indotto.

(2) Durante il cablaggio, il cavo di alimentazione e il cavo di massa dovrebbero essere il più spesso possibile. Oltre a ridurre la caduta di pressione, è più importante ridurre il rumore di accoppiamento.

(3) Per le porte I/O inattive del microcomputer a chip singolo, non galleggiano, ma dovrebbero essere messe a terra o collegate all'alimentazione elettrica. I terminali inattivi di altri IC sono messi a terra o collegati all'alimentazione senza modificare la logica del sistema.

(4) L'uso dei circuiti di monitoraggio dell'alimentazione elettrica e watchdog per i microcomputer a chip singolo, quali IMP809, IMP706, IMP813, X25043, X25045, ecc., può notevolmente migliorare le prestazioni anti-interferenza dell'intero circuito.

(5) Sulla premessa che la velocità può soddisfare i requisiti, cercare di ridurre l'oscillatore di cristallo del microcomputer a chip singolo e selezionare i circuiti digitali a bassa velocità.

(6) i dispositivi IC dovrebbero essere saldati direttamente sul circuito stampato il più possibile e le prese IC dovrebbero essere utilizzate meno.

Sintesi dell'esperienza

Aspetti software:

1. Viene utilizzato per cancellare tutti gli spazi di codice inutilizzati a "0", perché questo è equivalente a NOP, che può essere restituito quando il programma corre via;

2. aggiungere diversi NOP prima dell'istruzione di salto, lo scopo è lo stesso di 1;

3. Quando non c'è hardware WatchDog, il software può essere utilizzato per simulare WatchDog per monitorare il funzionamento del programma;

4. Quando si tratta di regolazione o impostazione dei parametri esterni del dispositivo, al fine di evitare che il dispositivo esterno commetta errori dovuti a interferenze, i parametri possono essere inviati regolarmente, in modo che il dispositivo esterno possa essere ripristinato al più presto;

5. Anti-interferenza nella comunicazione, la cifra di controllo dei dati può essere aggiunta e 3 su 2 o 5 su 3 strategie possono essere adottate;

6. Quando c'è una linea di comunicazione, come I^2C, sistema a tre fili, ecc., in pratica, abbiamo trovato che impostare la linea di dati, la linea CLK e la linea INH ad alto normalmente ha un migliore effetto anti-interferenza che impostarlo a basso.

Aspetto hardware:

1. Cablaggio del cavo di terra e del cavo di alimentazione

2. disaccoppiamento della linea;

3. separazione del terreno digitale e modulare;

4. Ogni componente digitale ha bisogno di 104 condensatori tra la terra e l'alimentazione elettrica;

5. al fine di impedire il crosstalk della porta I/O, la porta I/O può essere isolata dall'isolamento del diodo, dall'isolamento del circuito del cancello, dall'isolamento della fotocoppia, dall'isolamento elettromagnetico, ecc.; 6. Nelle applicazioni con relè, specialmente le correnti elevate, per evitare l'interferenza delle scintille di contatto del relè sul circuito, è possibile combinare un 104 e un diodo tra le bobine del relè e 472 condensatori indiretti tra i contatti e l'estremità normalmente aperta, l'effetto è buono!

7. Naturalmente, l'anti-interferenza della scheda multistrato è sicuramente migliore di quella della scheda unilaterale, ma il costo è diverse volte superiore.

8. La scelta di un dispositivo con forte capacità anti-interferenza è più efficace di qualsiasi altro metodo. Credo che questo debba essere il punto più importante. Perché le carenze intrinseche dei componenti sono difficili da compensare con metodi esterni, ma spesso quelli con una forte capacità anti-interferenza sono più costosi e quelli con scarsa capacità anti-interferenza sono più economici, proprio come Dongdong di Taiwan è economico ma le prestazioni sono notevolmente ridotte! Dipende principalmente dalla vostra applicazione.

Il circuito stampato (PCB) è il supporto di componenti e dispositivi del circuito in prodotti elettronici. Fornisce collegamenti elettrici tra elementi del circuito e dispositivi. Con il rapido sviluppo della tecnologia elettrica, la densità di PGB sta diventando sempre più alta. La qualità del design PCB ha una grande influenza sulla capacità anti-interferenza. Pertanto, nella progettazione PCB. I principi generali della progettazione PCB devono essere seguiti e devono essere soddisfatti i requisiti della progettazione anti-interferenza.