PCB部落格 - 列車高速數位PCB板的抗干擾設計

高速數位電路設計中應注意的問題 印刷電路板 詳細說明, 列車車載系統中的高速數位電路會影響哪些方面, 以及產生這些影響的原因. 應採取幾種方法. 實踐證明，採用這些方法設計的電路可以大大提高產品的抗干擾效能. 隨著科學技術的不斷發展, 列車也在高速發展, 列車車載系統逐漸採用高速數位電路. 列車上有許多干擾源, 包括各種變壓器產生的電磁干擾, 風扇, 受電弓, 空氣壓縮機, 等., 影響列車高速數位電路的正常運行. 此外, 為了確保騎行環境和工作環境的舒適性, 該車還配備了各種電氣設備，如空調, 電加熱器, 通風機, 等., 也會在外部產生電磁輻射, 影響高速數位電路的正常運行. 因此, 在如此複雜的列車環境中, 如何確保高速數位信號的可靠性將變得尤為重要. 如果這些問題處理不當, 這將導致訊號失真, 定時誤差, 系統不穩定和許多其他情况, 這將帶來不可估量的損失. 為了保證列車通信的正常運行, 控制和其他系統, 設備的抗干擾設計與功能設計同等重要. 設計之初, 必須考慮抑制數位電路干擾, 否則很難滿足高速數位電路的抗干擾要求. 因此, 有必要提高數位電路板的抗干擾能力，减少電路輻射, 並避免在設計完成後對電路板的抗干擾採取補救措施.

1. The way of interference
There are three basic ways of interference formation: interference source, 耦合路徑, 和敏感源. 這些方面如下所述.
1.1的干擾耦合路徑 PCB板
電路板上的干擾主要包括共模干擾和差模干擾. 差模干擾由訊號回路產生, 共模干擾由電纜上的共模電流產生. 用於印刷電路板, 主要是指其差模干擾, 因為其差模干擾的頻率範圍是電路訊號佔用的整個頻帶. 各種干擾, 影響正常工作系統. 减少差模干擾的主要方法是在佈線過程中最小化軌跡長度並减少訊號環路面積.
1.2干擾源的產生方法 PCB板
高速數位電路中各種類型干擾的主要原因是電源本身的固有雜訊頻率和di的各種變化/dt和du/外部電路上的dt. 線路上的各種電容和電感負載, 所以當訊號跳轉時, 將產生尖峰以形成雜訊, 這些雜訊將通過每個電路的電流回路沿電路傳導, 囙此，電源本身的固有雜訊和高速數位轉換引起的各種雜訊. 解耦和濾波是抑制電路本身或各種類型突變訊號產生的雜訊的最佳方法. 這不僅降低了自身的譟音, 同時也吸收了外界的影響, 並提高其抗干擾能力.
1.3個敏感來源 PCB板
高速數位信號的敏感源主要指易受外部干擾的物體, 例如：A/D, D/A轉換器, 邏輯控制器, 微控制器, 晶體振盪器, 數位積體電路, 弱訊號放大器, 等. 這些設備的穩定性直接關係到電路板系統操作的穩定性和準確性. 因此, 必須妥善保護這些敏感源，提高其抗干擾能力.

2. 改進系統的抗干擾措施 PCB板
2.1 Reduce the coupling loop
The main method to reduce coupling is to reduce the signal loop area, 其中地線回路面積, 電源, 主要解决敏感信號源和板邊緣問題.
1) Reduce the ground wire and power coupling loop
The ground wire impedance is the main cause of the ground wire noise on the circuit board, 囙此，地線阻抗應最小化, 可以使用地平面或電網接地. 用於高速數位電路板, 應使用多層板來减少回路面積, 中間層應用作電源層或接地層, 與電源和地面相鄰的層之間的距離應盡可能小； 讓每個訊號層具有相應的接地。由訊號線及其接地環路形成的環的面積應盡可能小. 環形區域越小, 外部干擾更少. 鑒於這一特點, 劃分地平面時, 應考慮地平面和重要訊號軌跡的分佈，以防止地平面開槽引起的問題, 等., 訊號線不能穿過地平面和電源平面之間的分離區域，以防止形成較大的接地回路. 同時, 電源層應從地面層縮回約3 mm, 這樣可以抑制70%以上的功率干擾.
2) Reduce the coupling loop of the sensitive source signal
For sensitive signals such as periodic signals, 例如時鐘訊號, 類比信號, 和地址匯流排的低階訊號, 干擾很强, 這也是設計高速數位電路的關鍵. The wiring of key signals on the printed board should be routed according to the principle of high to low (sorting method: high to low: analog signal - reset signal - I2C - clock signal - read and write signal - high speed, radio frequency signal - data bus - address bus ); the key signal wiring should go to the inner layer as far as possible; and a small capacitor should be connected in parallel for filtering; the signal layer can be routed in parallel only through the two layers separated by the ground plane; the signal line should be as short as possible; The components of the high-frequency connection on the printed board should be as close to the traces as possible to reduce the distribution parameters and electromagnetic interference of high-frequency signals, 從而提高敏感信號源的抗干擾能力.
3) Reduce the coupling loop at the edge of the circuit board
Whether the edge processing of the printed circuit board is reasonable determines whether the external interference of the signal can be suppressed more effectively. 為了防止高速數位電路通過電路板邊緣干擾外部, 應嚴格控制其接線位置, 它應該盡可能靠近印製板的內部. 具有强干擾（如高頻）的訊號線不應到達電路板邊緣，以防止缺少相應的接地耦合回路, 導致訊號的外部干擾洩漏.
2.2 Suppress interference sources
Suppressing the interference source is to reduce the influence of the interference source du/dt和di/盡可能多的dt. 减少du/干擾源的dt主要通過在干擾源兩端並聯連接電容器並添加去耦和濾波來實現. 减少di/干擾源的dt主要通過將電感與干擾源串聯或添加續流二極體來實現. 例如, 在繼電器中添加續流二極體可以消除線圈斷開時產生的反電動勢干擾.
1) Increase the decoupling capacitor
The decoupling capacitor takes the interference of the output signal as the filtering object. 在晶片中添加並聯去耦電容可以消除電源自激，並抑制電平變化的影響, 這可以使電源雜訊和電平變化的影響以短路徑返回到地線，以提高抗干擾能力. 為了更好地抑制雜訊, 每個晶片應盡可能配備去耦電容器, 去耦電容器應盡可能靠近晶片的電源和接地引脚. 去耦電容器的值通常為0.01-0.1華氏度, 可以是C=1/F, 那就是, 10MHZ取0.1華氏度, 100MHZ取0.01uf, 頻率越高, 去耦電容值應越小.
2) circuit filter absorption
Corresponding filtering forms should be adopted for the mutation signals that are prone to burrs to suppress the high-frequency burrs generated by the mutation of high-speed signals. 濾波方法通常使用無源元件電容器或帶電阻器的電感器, 並利用其對電壓和電流的儲能特性來達到濾波的目的. 通常使用RC濾波電路. 當電壓突然升高時, 並聯電容器C可以存儲能量, 當電壓下降時, 能量被釋放, 囙此，負載濾波後的電壓相對平滑，高頻雜訊降低. 然而, 為了不影響正常的高頻訊號波形, 該值不應太大, 應盡可能使用小電容器. 根據電路的總阻抗以及高頻訊號的頻寬和上升時間, 濾波電容器C的選擇尺寸是根據計算和經驗得出的. 請參閱下錶1：系統工作頻率越高, 濾波電容器的值應越小.

3. Conclusion
The reliability of the anti-interference design of high-speed digital circuits has a profound impact on the overall performance of the entire electronic and electrical equipment. 任何產品的可靠性都應該從設計的源頭開始. 只有掌握印刷電路的可靠性設計，才能保證產品的可靠性. 可靠性, 真正提高印製板的可靠性. 從各種圖中可以看出，根據該方法改進的高速數字印刷電路板可以减少自身產生的雜訊，同時提高其抗干擾能力. 考慮研發成本的經濟考慮, 考慮到 印刷電路板 在設計的早期階段將節省大量的重複設計成本.