單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)詳細(xì)解析
[前言]隨著單片機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、智能化儀器儀表、航空航天等各領(lǐng)域,單片機(jī)系統(tǒng)面臨著電磁干擾(EMI)日益嚴(yán)重的威脅。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/365430.htm隨著單片機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、智能化儀器儀表、航空航天等各領(lǐng)域,單片機(jī)系統(tǒng)面臨著電磁干擾(EMI)日益嚴(yán)重的威脅。電磁兼容性(EMC)包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問(wèn)題。如果一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)符合下面三個(gè)條件,則該系統(tǒng)是電磁兼容的:
?、?對(duì)其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾;
② 對(duì)其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感;
?、?對(duì)系統(tǒng)本身不產(chǎn)生干擾。
假若干擾不能完全消除,但也要使干擾減少到最小。干擾的產(chǎn)生不是直接的(通過(guò)導(dǎo)體、公共阻抗耦合等),就是間接的(通過(guò)串?dāng)_或輻射耦合)。電磁干擾的產(chǎn)生是通過(guò)導(dǎo)體和通過(guò)輻射,很多電磁發(fā)射源,如光照、繼電器、DC電機(jī)和日光燈都可引起干擾;AC電源線(xiàn)、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號(hào)。在高速單片機(jī)系統(tǒng)中,時(shí)鐘電路通常是寬帶噪聲的最大產(chǎn)生源,這些電路可產(chǎn)生高達(dá)300 MHz的諧波失真,在系統(tǒng)中應(yīng)該把它們?nèi)サ?。另外,在單片機(jī)系統(tǒng)中,最容易受影響的是復(fù)位線(xiàn)、中斷線(xiàn)和控制線(xiàn)。
1 干擾的耦合方式
?。?) 傳導(dǎo)性EMI
一種最明顯而往往被忽略的能引起電路中噪聲的路徑是經(jīng)過(guò)導(dǎo)體。一條穿過(guò)噪聲環(huán)境的導(dǎo)線(xiàn)可撿拾噪聲并把噪聲送到其它電路引起干擾。設(shè)計(jì)人員必須避免導(dǎo)線(xiàn)撿拾噪聲和在噪聲引起干擾前,用去耦辦法除去噪聲。最普通的例子是噪聲通過(guò)電源線(xiàn)進(jìn)入電路。若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源,則在電源線(xiàn)進(jìn)入電路之前必須對(duì)其去耦。
?。?) 公共阻抗耦合
當(dāng)來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個(gè)電路決定,來(lái)自?xún)蓚€(gè)電路的地電流流經(jīng)共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調(diào)制,噪聲信號(hào)或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。
?。?) 輻射耦合
經(jīng)輻射的耦合通稱(chēng)串?dāng)_。串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng),而電磁場(chǎng)在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。
?。?) 輻射發(fā)射
輻射發(fā)射有兩種基本類(lèi)型:差分模式(DM)和共模(CM)。共模輻射或單極天線(xiàn)輻射是由無(wú)意的壓降引起的,它使電路中所有地連接抬高到系統(tǒng)地電位之上。就電場(chǎng)大小而言,CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問(wèn)題。為使CM輻射最小,必須用切合實(shí)際的設(shè)計(jì)使共模電流降到零。
2 影響EMC的因數(shù)
① 電壓。電源電壓越高,意味著電壓振幅越大,發(fā)射就更多,而低電源電壓影響敏感度。
?、?頻率。高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射,周期性信號(hào)產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機(jī)系統(tǒng)中,當(dāng)器件開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào);在模擬系統(tǒng)中,當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。
③ 接地。在所有EMC問(wèn)題中,主要問(wèn)題是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號(hào)接地方法:?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1 MHz時(shí),可采用單點(diǎn)接地方法,但不適于高頻;在高頻應(yīng)用中,最好采用多點(diǎn)接地?;旌辖拥厥堑皖l用單點(diǎn)接地,而高頻用多點(diǎn)接地的方法。地線(xiàn)布局是關(guān)鍵,高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對(duì)不能混合。
?、?PCB設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB)布線(xiàn)對(duì)防止EMI是至關(guān)重要的。
?、?電源去耦。當(dāng)器件開(kāi)關(guān)時(shí),在電源線(xiàn)上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流,必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來(lái)自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線(xiàn)跡“發(fā)射”電壓,高di/dt 產(chǎn)生大范圍高頻電流,激勵(lì)部件和線(xiàn)纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)致壓降,減小電感或電流隨時(shí)間的變化可使該壓降最小。
3 印刷電路板(PCB)的電磁兼容性設(shè)計(jì)
PCB是單片機(jī)系統(tǒng)中電路元件和器件的支撐件,它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,PCB的密度越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大,實(shí)踐證明,即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確,印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如,如果印刷板兩條細(xì)平行線(xiàn)靠得很近,則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲,在傳輸線(xiàn)的終端形成反射噪聲。因此,在設(shè)計(jì)印刷電路板的時(shí)候,應(yīng)注意采用正確的方法,遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則,并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。
3.1 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(xiàn)的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量好、成本低的PCB,應(yīng)遵循以下一般性原則。
?。?) 特殊元器件布局
首先,要考慮PCB尺寸的大?。篜CB尺寸過(guò)大時(shí),印刷線(xiàn)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(xiàn)條易受干擾。在確定PCB尺寸后,再確定特殊元器件的位置。最后,根據(jù)電路的功能單元,對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局。
在確定特殊元器件的位置時(shí)要遵守以下原則:
① 盡可能縮短高頻元器件之間的連線(xiàn),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。
?、?某些元器件或?qū)Ь€(xiàn)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。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。
?、?重量超過(guò)15 g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,不宜裝在印刷板上,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。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
?、?對(duì)于電位器、可調(diào)電感線(xiàn)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。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié),應(yīng)放在印刷板上方便調(diào)節(jié)的地方;若是機(jī)外調(diào)節(jié),其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。
?、?留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。
?。?) 一般元器件布局
根據(jù)電路的功能單元,對(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí),要符合以下原則:
?、?按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置,使布局便于信號(hào)流通,并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。
② 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心,圍繞它來(lái)進(jìn)行布局。元器件應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上,盡量減少和縮短各元器件之間的引線(xiàn)和連接。
?、?在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列,這樣,不但美觀,而且裝焊容易,易于批量生產(chǎn)。
?、?位于電路板邊緣的元器件,離電路板邊緣一般不小于2 mm。電路板的最佳形狀為矩形。長(zhǎng)寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mmTImes;150 mm時(shí),應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。
?。?) 布線(xiàn)
布線(xiàn)的原則如下:
?、?輸入輸出端用的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡量避免相鄰平行,最好加線(xiàn)間地線(xiàn),以免發(fā)生反饋耦合。
② 印刷板導(dǎo)線(xiàn)的最小寬度主要由導(dǎo)線(xiàn)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0.5 mm、寬度為1~15 mm時(shí),通過(guò)2 A的電流,溫升不會(huì)高于3℃。因此,導(dǎo)線(xiàn)寬度為1.5 mm可滿(mǎn)足要求。對(duì)于集成電路,尤其是數(shù)字電路,通常選0.02~0.3 mm導(dǎo)線(xiàn)寬度。當(dāng)然,只要允許,還是盡可能用寬線(xiàn),尤其是電源線(xiàn)和地線(xiàn)。導(dǎo)線(xiàn)的最小間距主要由最壞情況下的線(xiàn)間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)于集成電路,尤其是數(shù)字電路,只要工藝允許,可使間距小于0.1~0.2 mm。
?、?印刷導(dǎo)線(xiàn)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。必須用大面積銅箔時(shí),最好用柵格狀,這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。
?。?) 焊盤(pán)
焊盤(pán)中心孔要比器件引線(xiàn)直徑稍大一些。焊盤(pán)太大易形成虛焊。焊盤(pán)外徑D一般不小于(d+1.2) mm,其中d為引線(xiàn)孔徑。對(duì)高密度的數(shù)字電路,焊盤(pán)最小直徑可?。╠+1.0) mm。
3.2 PCB及電路抗干擾措施
印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)與具體電路有著密切的關(guān)系,這里僅就PCB抗干擾設(shè)計(jì)的幾項(xiàng)常用措施作一些說(shuō)明。
?。?) 電源線(xiàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)印刷線(xiàn)路板電流的大小,盡量加粗電源線(xiàn)寬度,減少環(huán)路電阻;同時(shí),使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。kx6電子技術(shù)吧
(2) 地線(xiàn)設(shè)計(jì)
在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來(lái)使用,可解決大部分干擾問(wèn)題。單片機(jī)系統(tǒng)中地線(xiàn)結(jié)構(gòu)大致有系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地)、數(shù)字地(邏輯地)和模擬地等。在地線(xiàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
?、?正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中,信號(hào)的工作頻率小于1 MHz,它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小,而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大,因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10 MHz時(shí),地線(xiàn)阻抗變得很大,此時(shí)應(yīng)盡量降低地線(xiàn)阻抗,應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1~10MHz時(shí),如果采用一點(diǎn)接地,其地線(xiàn)長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的 1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。
?、?數(shù)字地與模擬地分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路,又有線(xiàn)性電路,應(yīng)使它們盡量分開(kāi),而兩者的地線(xiàn)不要相混,分別與電源端地線(xiàn)相連。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(xiàn)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(xiàn)應(yīng)短而粗。高頻元件周?chē)M量用柵格狀大面積地箔,要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
③ 接地線(xiàn)應(yīng)盡量加粗。若接地線(xiàn)用很細(xì)的線(xiàn)條,則接地電位會(huì)隨電流的變化而變化,致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號(hào)電平不穩(wěn),抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線(xiàn)盡量加粗,使它能通過(guò)三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能,接地線(xiàn)的寬度應(yīng)大于3 mm。
?、?接地線(xiàn)構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計(jì)只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統(tǒng)時(shí),將接地線(xiàn)做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于:印刷電路板上有很多集成電路元件,尤其遇有耗電多的元件時(shí),因受接地線(xiàn)粗細(xì)的限制,會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪能力下降;若將接地線(xiàn)構(gòu)成環(huán)路,則會(huì)縮小電位差值,提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。
?。?) 退耦電容配置
PCB設(shè)計(jì)的常規(guī)做法之一,是在印刷板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐笋铍娙?。退耦電容的一般配置原則是:
?、?電源輸入端跨接10~100μF的電解電容器。如有可能,接100μF以上的更好。
?、?原則上每個(gè)集成電路芯片都應(yīng)布置一個(gè)0.01 pF的瓷片電容。如遇印刷板空隙不夠,可每4~8個(gè)芯片布置一個(gè)1~10 pF的鉭電容。
?、?對(duì)于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件,如RAM、ROM存儲(chǔ)器件,應(yīng)在芯片的電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間直接接入退耦電容。
④ 電容引線(xiàn)不能太長(zhǎng),尤其是高頻旁路電容不能有引線(xiàn)。
此外,還應(yīng)注意以下兩點(diǎn):
?、?在印刷板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí),操作它們時(shí)均會(huì)產(chǎn)生較大火花放電,必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流。一般R取1~2 kΩ,C取2.2~47μF。
② CMOS的輸入阻抗很高,且易受感應(yīng),因此在使用時(shí),對(duì)不用端要接地或接正電源。
(4) 振蕩器
幾乎所有的單片機(jī)都有一個(gè)耦合于外部晶體或陶瓷諧振器的振蕩器電路。在PCB上,要求外接電容、晶體或陶瓷諧振器的引線(xiàn)越短越好。RC振蕩器對(duì)干擾信號(hào)有潛在的敏感性,它能產(chǎn)生很短的時(shí)鐘周期,因而最好選晶體或陶瓷諧振器。另外,石英晶體的外殼要接地。
?。?) 防雷擊措施
室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或從室外架空引入室內(nèi)的電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn),要考慮系統(tǒng)的防雷擊問(wèn)題。常用的防雷擊器件有:氣體放電管、TVS(Transient Voltage Suppression)等。氣體放電管是當(dāng)電源電壓大于某一數(shù)值時(shí),通常為數(shù)十V或數(shù)百V,氣體擊穿放電,將電源線(xiàn)上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管,當(dāng)兩端電壓高于某一值時(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過(guò)數(shù)百乃至上千A的電流。
結(jié)語(yǔ)
為了提高單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性,不僅要合理設(shè)計(jì)PCB板,而且要在電路結(jié)構(gòu)上及軟件中采取相應(yīng)的措施。實(shí)踐表明,在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行的各個(gè)階段,都需要考慮其電磁兼容性,只有這樣,才能保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行。
評(píng)論