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PCB科技 - 從PCB到MCU,它將讓您深入瞭解如何抵抗干擾

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從PCB到MCU,它將讓您深入瞭解如何抵抗干擾

2021-08-14
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Author:IPCB

印製電路板製圖的抗干擾設計原則


1.地線佈置:

1. 數位接地與類比接地是分開的。

2. 接地線應盡可能厚,以便能通過印製板上允許電流的3倍,一般應為2~3mm。

3. 接地線應盡可能形成環形,以减少接地線的電位差。


2.電源線佈局:

1. 根據電流大小,儘量加寬導線。

2. 電源線和地線的方向應與資料傳輸的方向一致。

3. 印製板的電源輸入端應連接一個10~100°F的去耦電容器。


3.去耦電容器配寘:

1. 去耦電容器的引線不宜過長,特別是高頻旁路電容器不宜有引線。

2. 在印製板的電源輸入端連接一個10~100°F的電解電容器,如果它可以大於100°F就更好了。

3. 在每個集成晶片的Vcc和GND之間連接一個0.01~0.1°F的陶瓷電容器。 如果不允許空間,可以為每4~10個晶片配寘1~10個島F鉭電容器。

4. 抗雜訊能力較弱、關斷電流變化較大的器件,以及ROM和RAM,應在Vcc和GND之間間接去耦電容器。

5. 在微控制器的重置端子“reset”上匹配0.01°F去耦電容器。


4.設備配置:

1. 時鐘發生器、晶體振盪器和CPU的時鐘輸入端應盡可能靠近並遠離其他低頻設備。

2. 使小電流電路和大電流電路盡可能遠離邏輯電路。

3. 印製板在主機殼中的位置和方向應確保具有大量熱量的設備位於頂部。


5.將電源線、交流線和訊號線分開

電源線和交流線應盡可能放置在與訊號線不同的板上,否則應與訊號線分開佈線。


6.其他原則:

1. 佈線時,地址線應盡可能長,也應盡可能短。

2. 在匯流排上新增一個約10K的上拉電阻,有利於抗干擾。

3. PCB兩側的線路應盡可能垂直排列,以防止相互干擾。

4. 去耦電容器的大小通常為C=1/F,並且F是資料傳輸頻率。

5. 未使用的引脚通過上拉電阻器(約10K)連接到Vcc,或者與使用的引脚並聯。

6. 發熱元件(如大功率電阻器等)應避免使用容易受溫度影響的元件(如電解電容器等)。

7. 使用全解碼比行解碼具有更强的抗干擾效能。


為了抑制大功率器件對微控制器數位元件電路的干擾和數位電路對類比電路的干擾,當數位地和類比地連接到公共接地點時,應使用高頻扼流環。 這是一種圓柱形鐵氧體磁性材料。 在軸向上有幾個孔。 一根較粗的銅線被用來穿過這些孔並纏繞一到兩圈。 這種器件可以被視為低頻訊號的零阻抗。, 對高頻訊號的干擾可以看作是電感器。。 (由於電感器的直流電阻較大,電感器不能用作高頻扼流圈)。


當連接印刷電路板以外的訊號線時,通常使用遮罩電纜。 對於高頻訊號和數位信號,遮罩電纜的兩端應接地。 對於低頻類比信號的遮罩電纜,一端應接地。

對雜訊和干擾非常敏感的電路或特別高頻雜訊的電路應使用金屬蓋進行遮罩。 鐵磁遮罩對500KHz高頻雜訊的遮罩效果不明顯,薄銅遮罩效果較好。 當使用螺釘固定遮罩時,要注意不同資料接觸引起的電位差引起的腐蝕。


7.充分利用去耦電容器


集成電路電源與地之間的去耦電容器有兩個功能:一方面是集成電路的儲能電容器,另一方面是旁路器件的高頻雜訊。 數位電路中典型的去耦電容器值為0.1°F。 該電容器的分佈電感的典型值為5°H。 0.1°F去耦電容器具有5°H的分佈式電感,其並聯諧振頻率約為7MHz。 也就是說,它對10MHz以下的雜訊有更好的去耦效果,而對40MHz以上的雜訊幾乎沒有影響。


1°F和10°F的電容器,並聯諧振頻率在20MHz以上,去除高頻雜訊的效果更好。


每10塊集成電路需要添加一個充放電電容器或儲能電容器,大約可以選擇10個F。 最好不要使用電解電容器。 電解電容器是用兩層薄膜卷起來的。 這種卷起的結構在高頻下表現為電感。 使用鉭電容器或聚碳酸酯電容器。


去耦電容器的選擇並不關鍵,C=1/F,即10MHz為0.1°F,100MHz為0.01°F。


焊接時,去耦電容器的引脚應盡可能短。 長引脚將導致去耦電容器本身自諧振。 例如,引脚長度為6.3mm的1000pF陶瓷電容器的自諧振頻率約為35MHz,當引脚長度為12.6mm時,其為32MHz。

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8.减少譟音和電磁干擾的經驗

印刷電路板抗干擾設計原則:

1. 可以使用一系列電阻器來降低控制電路的上邊緣和下邊緣的跳躍率。

2. 儘量使時鐘訊號電路周圍的電位接近0,用接地線環繞時鐘區域,時鐘線應盡可能短。

3. 垂直於I/O線的時鐘線具有比平行於I/O線更小的干擾。

4. I/O驅動電路盡可能靠近印刷板的邊緣。

5. 不要離開未使用的柵極電路的輸出端子。 未使用的運算放大器的正極輸入端應接地,負極輸入端應連接到輸出端。

6. 儘量使用45°折疊線而不是90°折疊線,佈線以减少高頻訊號的外部發射和耦合。

7. 部件的引脚應盡可能短。

8. 不要在石英晶體下或對譟音特別敏感的部件下佈線。

9). 不要在弱訊號電路和低頻電路的接地線周圍形成電流回路。

10). 必要時,在電路中添加鐵氧體高頻扼流圈,以分離訊號、雜訊、電源和接地。

印刷電路板上的過孔導致大約0.6pF的電容; 集成電路的封裝資料本身會產生2pF~10pF的分佈電容; 電路板上的連接器具有520島H的分佈式電感; 雙列直插式24針集成電路插座引入4個H~18個H分佈電感。


數位電路與單片機的抗干擾設計


在電子系統設計中,為了避免走彎路和節省時間,應充分考慮並滿足抗干擾要求,並在設計完成後避免採取抗干擾補救措施。 造成干擾的基本因素有三個:


1)干擾源是指產生干擾的部件、設備或訊號。 用數學語言描述如下:du/dt,di/dt大的地方是干擾源。 例如,閃電、繼電器、晶閘管、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。

2)敏感設備是指容易受到干擾的物體。 如:A/D、D/A轉換器、單片機、數位IC、弱訊號放大器等。

3)傳播路徑是指干擾從干擾源傳播到敏感設備的路徑或介質。 典型的干涉傳播路徑是通過導線的傳導和來自空間的輻射。


抗干擾設計的基本原理是抑制干擾源,切斷干擾傳播路徑,提高敏感器件的抗干擾效能。 (類似於預防傳染病)


1.抑制干擾源


抑制干擾源是為了盡可能地减少干擾源的du/dt和di/dt。 這是抗干擾設計中最好的考慮和最重要的原則,往往具有事半功倍的效果。 降低干擾源的du/dt主要是通過在干擾源的兩端並聯電容器來實現的。 减少干擾源的di/dt是通過將電感或電阻與干擾源回路串聯並添加續流二極體來實現的。

抑制干擾源的常用措施如下:


1)佈線時應避免90度折線,以减少高頻雜訊的發射。

2)在繼電器線圈上新增了一個續流二極體,以消除線圈斷開時產生的反EMF干擾。 只新增一個續流二極體將延遲繼電器的斷開時間。 添加齊納二極體後,繼電器每組織時間可以工作更多次。

3)在繼電器觸點的兩端並聯一個火花抑制電路(通常是RC串聯電路,電阻通常從幾K到幾十K之間選擇,電容器為0.01uF),以减少電火花的影響。

4)在電機上新增一個濾波電路,並注意盡可能短的電容器和電感引線。

5)電路板上的每個IC應與0.01°Fï½0.1°F高頻電容器並聯連接,以减少IC對電源的影響。 注意高頻電容器的接線。 接線應靠近電源端子並盡可能短。 否則,電容器的等效串聯電阻會新增,從而影響濾波效果。

6)晶閘管的兩端與RC抑制電路並聯,以减少晶閘管產生的雜訊(這種雜訊可能會損壞晶閘管)。 根據干擾的傳播路徑,可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。

所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感設備的干擾。 高頻干擾雜訊和有用訊號的頻帶是不同的。 你可以通過在電線上加一個濾波器來切斷高頻干擾雜訊的傳播,有時也可以加一個隔離光耦來解决。功率雜訊是最有害的,所以要特別注意處理。 所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感設備的干擾。 一般的解決方案是新增干擾源和敏感設備之間的距離,用地線將它們隔離,並在敏感設備上添加遮罩。


2.切斷干擾傳播路徑的常見措施如下:

1)充分考慮電源對微控制器的影響。 如果電源做得好,整個電路的抗干擾問題將解决一半以上。 許多單片機對電源雜訊非常敏感。 為了减少電源雜訊對單片機的干擾,需要在單片機的電源上新增濾波電路或電壓調節器。 例如,磁珠和電容器可以用來形成一個形狀的濾波器電路。 當然,當條件不高時,可以使用100個島電阻器代替磁珠。

2)如果單片機的I/O埠用於控制電機等雜訊設備,則應在I/O埠與雜訊源之間新增隔離(新增一個整形濾波電路)。 為了控制電機等雜訊設備,應在I/O埠和雜訊源之間添加隔離(添加一個整形濾波器電路)。

(3)注意晶體振盪器的接線。晶體振盪器盡可能靠近微控制器的引脚,時鐘區域用地線隔離,晶體振盪器外殼接地固定。 這項措施可以解决許多難題。

4)合理劃分電路板,如强弱訊號、數位和類比信號。 盡可能使干擾源(如電機、繼電器)遠離敏感元件(如單片機)。

(5)用地線將數位區域與類比區域分開,將數位接地與類比接地分開,最後在一點上將其連接到電源接地。 A/D和D/A晶片的佈線也基於這一原理。 製造商在分配A/D和D/A晶片引脚排列時考慮了這一要求。

(6)單片機與大功率器件的地線應分別接地,以减少相互干擾。 將大功率設備盡可能多地放置在電路板的邊緣。

(7)在MCU I/O埠、電源線、電路板連接線等關鍵位置使用磁珠、磁環、電源濾波器、遮罩等抗干擾元件,可以顯著提高電路的抗干擾效能。


3.提高敏感器件的抗干擾效能

提高敏感器件的抗干擾效能是指最大限度地减少敏感器件側干擾雜訊的拾取,並儘快從异常情况中恢復的方法。

提高敏感器件抗干擾效能的常用措施如下:

(1)佈線時儘量減少環路面積,以减少感應雜訊。

(2)接線時,電源線和地線應盡可能厚。 除了降低壓降之外,更重要的是降低耦合雜訊。

(3)對於單片機的空閒I/O埠,不要浮動,應接地或連接電源。 在不改變系統邏輯的情况下,其他IC的空閒端子接地或連接到電源。

(4)採用IMP809、IMP706、IMP813、X25043、X25045等單片機電源監控和看門狗電路,可以大大提高整個電路的抗干擾效能。

(5)在速度能滿足要求的前提下,儘量減少單片機的晶體振盪器,選擇低速數位電路。

(6)IC器件應盡可能直接焊接在電路板上,IC插座應少用。


經驗總結

軟件方面:


1.它用於將所有未使用的程式碼空間清除為“0”,因為這相當於NOP,當程式運行時可以返回NOP;

2.在跳轉指令之前添加幾個NOP,目的與1相同;

3、當沒有硬體WatchDog時,可以用軟件類比WatchDog來監控程序的運行;

4.在處理外部設備參數的調整或設定時,為了防止外部設備因干擾而出錯,可以定期重新發送參數,以便儘快恢復外部設備;

5、通信抗干擾,可新增數據校驗比特,可採用2選3或3選5策略;

6.當有通信線路時,如I^2C、三線制等,在實踐中,我們發現通常將數據線、CLK線和INH線設定為高電平比設定為低電平具有更好的抗干擾效果。


硬體方面:


1.地線和電源線的接線

2.線路的去耦;

3.數位地面與模組化地面的分離;

4.每個數位元件在接地和電源之間需要104個電容器;

5.為了防止I/O埠的串擾,I/O埠可以通過二極體隔離、柵極電路隔離、光電耦合器隔離、電磁隔離等管道進行隔離。; 6.在有繼電器的應用中,特別是大電流的應用中為了防止繼電器觸點火花對電路的干擾,可以在繼電器線圈之間結合一個104和一個二極體,在觸點和常開端之間結合間接472電容器,效果很好!

7.當然,多層板的抗干擾性肯定比單面板好,但成本要高出好幾倍。

8.選擇抗干擾能力强的設備比任何其他方法都更有效。 我認為這應該是最重要的一點。 因為元器件的內在缺陷很難用外部的方法彌補,但往往抗干擾能力强的更貴,抗干擾能力差的更便宜,就像臺灣的東便宜但效能卻大大降低! 這主要取決於您的應用程序。


印刷電路板是電子產品中電路元件和器件的支撐。 它提供電路元件和設備之間的電連接。 隨著電力科技的快速發展,PGB的密度越來越高。 PCB設計的質量對其抗干擾能力有很大影響。 囙此,在PCB設計中。 必須遵循PCB設計的一般原則,並滿足抗干擾設計的要求。