PCB板設(shè)計(jì)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(guò)程中的體會(huì)，并總結(jié)了印刷電路板設(shè)計(jì)的一般原則和抗干擾措施。

關(guān)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(jiàn)干擾。由于硬件的可靠性是設(shè)備的復(fù)雜性函數(shù)，要消除一些特殊的、小概率的干擾，就要采用特殊的、更復(fù)雜的硬件抗干擾電路。但過(guò)多地采用硬件抗干擾措施，會(huì)明顯提高產(chǎn)品的常規(guī)成本，且硬件數(shù)量的增加，還會(huì)產(chǎn)生新的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降。所以應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件和目標(biāo)要求，合理采用一些硬件抗干擾措施，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1、PCB設(shè)計(jì)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(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、造價(jià)低的PCB板，應(yīng)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(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過(guò)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(duì)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(shè)法減少它們的分布參數(shù)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(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

（2）某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。

（3）重量超過(guò)15g的元器件、應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題。

（4）對(duì)于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。

（5）應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根據(jù)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(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線接地線，以免發(fā)生反饋耦合。

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

（3）印制導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)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(duì)高密度的數(shù)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(tǒng)要特別注意電磁干擾：

（1）微控制器的時(shí)鐘頻率特別高，總線周期特別快的系統(tǒng);

（2）系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動(dòng)電路，如產(chǎn)生大火花的繼電器，大電流開(kāi)關(guān)等;

（3）含微弱模擬信號(hào)電路以及高精度A/D變換電路的系統(tǒng)。

2.2為增加系統(tǒng)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(shí)鐘頻率低的微控制器可以有效降低噪聲和提高系統(tǒng)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(fā)射出去成為噪聲源，微控制器產(chǎn)生的最有影響的高頻噪聲的頻率大約是其時(shí)鐘頻率的3倍。

（2）減小信號(hào)傳輸中的畸變

微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號(hào)輸入端靜態(tài)輸入電流在1A左右，輸入電容10P左右，輸入阻抗相當(dāng)高，高速CMOS電路的輸出端都有相當(dāng)?shù)膸лd能力，及相當(dāng)大的輸出值，將一個(gè)門的輸出端通過(guò)一段很長(zhǎng)的線引到輸入阻抗相當(dāng)高的輸入端，發(fā)射問(wèn)題就很嚴(yán)重，它會(huì)引起信號(hào)畸變。增加系統(tǒng)噪聲。

（3）減少信號(hào)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(shù)字電路是迭加100～200mv噪聲并不影響其工作。但是，對(duì)于模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，這種干擾就變?yōu)椴荒苋萑獭?/p>

2.3PCB板的設(shè)計(jì)

制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗電磁干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施做一些說(shuō)明。地線設(shè)計(jì)的原則是：

（1）數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。若線路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開(kāi)。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線應(yīng)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(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)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(yīng)將接地線加粗，使它能通過(guò)三倍于印制板上的允許電流。

（3）接地線構(gòu)成閉環(huán)路。只由數(shù)字電路組成的印制板，其接地電路布成團(tuán)環(huán)路大多能提高抗噪聲能力。

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

3、數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的接地

但在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，到底哪些部分屬于數(shù)字區(qū)域，哪些部分屬于模擬信號(hào)區(qū)域，我們無(wú)法將其嚴(yán)格進(jìn)行區(qū)分，比如在電路中，電源部分是共用的，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)它應(yīng)該歸屬于哪一部分？在PCB設(shè)計(jì)中，常用的抗干擾方法就是將數(shù)字電路和模擬電路區(qū)分開(kāi)來(lái)，畫在不同的區(qū)域。但像上面所說(shuō)的并不能嚴(yán)格區(qū)分的部分又該怎么來(lái)設(shè)計(jì)？在設(shè)計(jì)電路時(shí)如何區(qū)分是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)關(guān)鍵在于與該信號(hào)相關(guān)的芯片是數(shù)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(shù)字類芯片供電，即將其歸屬于數(shù)字部分，而當(dāng)兩部分混合共用同一個(gè)電源時(shí)就需要用“橋”的方法將電源從另一部分引過(guò)來(lái)。上面這種抗干擾系統(tǒng)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(tǒng)或者小的電路板中適用，在大的電路系統(tǒng)中該方法就有很多的潛在問(wèn)題，尤其是在復(fù)雜的系統(tǒng)中更為突出，在跨越分布間隙布線時(shí)，EMI問(wèn)題隨之而來(lái)。比如一個(gè)典型的A/D轉(zhuǎn)換器在使用的時(shí)候，制造廠商會(huì)建議將A/D轉(zhuǎn)換器的AGND和DGND使用最短的導(dǎo)線連接起來(lái)，連到一個(gè)低阻抗的地上。這樣可以使用上面的方法在A/D轉(zhuǎn)換器下面，在兩個(gè)地之間用與IC等寬度的連接橋連接（注意：任何信號(hào)線都不能跨越分割間隙）。但是如果系統(tǒng)中有較多的A/D轉(zhuǎn)換器，每一個(gè)都是按照上面的方式來(lái)接連，則會(huì)產(chǎn)生多點(diǎn)連接，將數(shù)字地和模擬地隔離將毫無(wú)意義，此時(shí)應(yīng)使用統(tǒng)一地，將統(tǒng)一地人為的分開(kāi)為數(shù)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(wèn)題。

4、高頻信號(hào)抗干擾分析

在設(shè)計(jì)高頻信號(hào)的PCB電路板時(shí)一定要注意，任何金屬或者導(dǎo)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(zhǎng)的印制導(dǎo)線可以產(chǎn)生15-20nH的電感。因此在PCB設(shè)計(jì)中的接地時(shí)要盡量采用多點(diǎn)接地策略，讓每一個(gè)電路系統(tǒng)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(shè)計(jì)PCB時(shí)多點(diǎn)接地最簡(jiǎn)單的方法就是全部覆銅，將元件的接地點(diǎn)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(gè)具有極低接地阻抗的“參考地面”，各個(gè)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(shù)字地和模擬地要單獨(dú)處理。高頻數(shù)字信號(hào)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(shù)字信號(hào)的地線還常常帶有非常豐富的高頻信號(hào)的諧波分量，當(dāng)直接連接數(shù)字信號(hào)地線和模擬信號(hào)地線時(shí)，高頻信號(hào)的諧波就會(huì)通過(guò)地線耦合的方式對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行干擾。通常情況下，對(duì)高頻數(shù)字信號(hào)的地線和模擬信號(hào)的地線是要做隔離的，采用在合適位置單點(diǎn)互聯(lián)的方式，或者采用高頻扼流磁珠互聯(lián)的方式。

5、總結(jié)

PCB設(shè)計(jì)及制作技術(shù)的發(fā)展直接帶動(dòng)著大規(guī)模集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而集成電路在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨寬泛，因此PCB設(shè)計(jì)中的噪聲抑制問(wèn)題也變得越來(lái)越重要，特別是在軍工、航空航天等對(duì)產(chǎn)品要求極為嚴(yán)苛的領(lǐng)域，PCB板上的噪聲問(wèn)題如果沒(méi)有得到妥善解決可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。

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