PCB電路中的電磁兼容設(shè)計(jì)

接地設(shè)計(jì)

一旦發(fā)生了靜電放電，應(yīng)該讓其盡快旁路人地，不要直接侵入內(nèi)部電路。例如內(nèi)部電路如用金屬機(jī)箱屏蔽，則機(jī)箱應(yīng)良好接地，接地電阻要盡量小，這樣放電電流可以由機(jī)箱外層流入大地，同時(shí)也可以將對周圍物體放電時(shí)形成的騷擾導(dǎo)入大地，不會(huì)影響內(nèi)部電路。對金屬機(jī)箱，通常機(jī)箱內(nèi)的電路會(huì)通過I/O電纜、電源線等接地，當(dāng)機(jī)箱上發(fā)生靜電放電時(shí)，機(jī)箱的電位上升，而內(nèi)部電路由于接地，電位保持在地電位附近。這時(shí)，機(jī)箱與電路之間存在著很大的電位差。這會(huì)在機(jī)箱與電路之間引起二次電弧。使電路造成損壞。通過增加電路與外殼之間的距離可以避免二次電弧的發(fā)生。當(dāng)電路與外殼之間的距離不能增加時(shí)，可以在外殼與電路之間加一層接地的金屬擋板，擋住電弧。如果電路與機(jī)箱連在一起，則只應(yīng)通過一點(diǎn)連接。防止電流流過電路。線路板與機(jī)箱連接的點(diǎn)應(yīng)在電纜入口處。對塑料機(jī)箱，則不存在機(jī)箱接地的問題。

電纜設(shè)計(jì)

一個(gè)正確設(shè)計(jì)的電纜保護(hù)系統(tǒng)可能是提高系統(tǒng)ESD非易感性的關(guān)鍵。作為大多數(shù)系統(tǒng)中的最大的“天線”— I/O電纜特別易于被ESD干擾感應(yīng)出大的電壓或電流。從另一方面，電纜也對ESD干擾提供低阻抗通道，如果電纜屏蔽同機(jī)殼地連接的話。通過該通道ESD干擾能量可從系統(tǒng)接地回路中釋放，因而可間接地避免傳導(dǎo)耦合。為減少ESD干擾輻射耦合到電纜，線長和回路面積要減小，應(yīng)抑制共模耦合并且使用金屬屏蔽。對于輸入/輸出電纜可采用使用屏蔽電纜、共模扼流圈、過壓箝位電路及電纜旁路濾波器措施。在電纜的兩端，電纜屏蔽必須與殼體屏蔽連接。在互聯(lián)電纜上安裝一個(gè)共模扼流圈可以使靜電放電造成的共模電壓降在扼流圈上，而不是另一端的電路上。兩個(gè)機(jī)箱之間用屏蔽電纜連接時(shí)，通過電纜的屏蔽層將兩個(gè)機(jī)箱連接在一起，這樣可以使兩個(gè)機(jī)箱之間的電位差盡量小。這里，機(jī)箱與電纜屏蔽層之間的搭接方式很重要。強(qiáng)烈建議在電纜兩端的機(jī)箱與電纜屏蔽層之間360°搭接。

鍵盤和面板

鍵盤和控制面板的設(shè)計(jì)必須保證放電電流能夠直接流到地，而不會(huì)經(jīng)過敏感電路。對于絕緣鍵盤，在鍵與電路之間要安裝一個(gè)放電防護(hù)器（如金屬支架），為放電電流提供一條放電路徑。放電防護(hù)器要直接連接到機(jī)箱或機(jī)架上，而不能連接到電路地上。當(dāng)然，用較大的旅鈕（增加操作者到內(nèi)部線路的距離）能夠直接防止靜電放電。鍵盤和控制面板的設(shè)計(jì)應(yīng)能使放電電流不經(jīng)過敏感電路而直接到地。采用絕緣軸和大旋鈕可以防止向控制鍵或電位器放電?，F(xiàn)在，較多的電子產(chǎn)品面板采用薄膜按鍵和薄膜顯示窗，由于該薄膜由耐高壓的絕緣材料構(gòu)成，可有效防止ESD通過按鍵和顯示窗進(jìn)入內(nèi)部電路形成干擾。另外，現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤的按鍵內(nèi)部均有由耐高壓的絕緣薄膜構(gòu)成的襯墊，可有效防止ESD的干擾。

電路設(shè)計(jì)

設(shè)備中不用的輸入端不允許處于不連接或懸浮狀態(tài)，而應(yīng)當(dāng)直接或通過適當(dāng)電阻與地線或電源端相連通。一般來說，與外部設(shè)備連接的接口電路都需要加保護(hù)電路，其中也包括電源線，這一點(diǎn)往往被硬件設(shè)計(jì)所忽視。以微機(jī)為例來講，應(yīng)該考慮安排保護(hù)電路的環(huán)節(jié)有：串行通信接口、并行通信接口、鍵盤接口、顯示接口等。

濾波器（分流電容或一系列電感或兩者的結(jié)合）必須用在電路中以阻止EMI耦合到設(shè)備。如果輸入為高阻抗，一個(gè)分流電容濾波器最有效，因?yàn)樗牡妥杩箤⒂行У嘏月犯叩妮斎胱杩?，分流電容越接近輸入端越好。如果輸入阻抗低，使用一系列鐵氧體可以提供最好的濾波器，這些鐵氧體也應(yīng)盡可能接近輸入端。

在內(nèi)部電路上加強(qiáng)防護(hù)措施。對于可能遭受直接傳導(dǎo)的靜電放電干擾的端口，可以在I/O接口處串接電阻或并聯(lián)二極管至正負(fù)電源端。MOS管的輸入端串接100kΩ電阻，輸出端串接1kΩ電阻，以限制放電電流量。TTL管輸人端串接22～100Ω電阻，輸出端串接22～47Ω電阻。模擬管輸入端串接100Ω～100kΩ，并且加并聯(lián)二極管，分流放電電流至電源正或負(fù)極，模擬管輸出端串接100Ω的電阻。在I/O信號(hào)線上安裝一個(gè)對地的電容能夠?qū)⒔涌陔娎|上感應(yīng)的靜電放電電流分流到機(jī)箱，避免流到電路上。但這個(gè)電容也會(huì)將機(jī)殼上的電流分流到信號(hào)線上。為了避免這種情況的發(fā)生，可以在旁路電容與線路板之間安裝一只鐵氧體磁珠，增加流向線路板的路徑的阻抗。需要注意的是，電容的耐壓一定要滿足要求。靜電放電的電壓可以高達(dá)數(shù)千伏。用一個(gè)瞬態(tài)防護(hù)二極管也能夠?qū)o電放電起到有效的保護(hù)，但需要注意，用二極管雖然將瞬態(tài)干擾的電壓限制住了，但高頻干擾成分并沒有減少，該電路中一般應(yīng)有與瞬態(tài)防護(hù)二極管并聯(lián)的高頻旁路電容抑制高頻干擾。在電路設(shè)計(jì)及電路板布線方面，應(yīng)采用門電路和選通脈沖。這種輸入方式只有在靜電放電和選通同時(shí)發(fā)生時(shí)才能造成損壞。而脈沖邊沿觸發(fā)輸入方式對靜電放電引起的瞬變很敏感，不宜采用。

PCB設(shè)計(jì)

良好的PCB設(shè)計(jì)可以有效地減少ESD干擾對產(chǎn)品造成的影響，這也是電磁兼容設(shè)計(jì)中ESD設(shè)計(jì)部分的一個(gè)重要的內(nèi)容，大家可以從那部分課程中得到詳細(xì)的指引。對一個(gè)成品進(jìn)行電磁兼容對策時(shí)，很難再對PCB進(jìn)行重新設(shè)計(jì)（改進(jìn)成本太高），此處不再加以介紹。

軟件

除了硬件措施外，軟件抑制方案也是減少系統(tǒng)鎖定等嚴(yán)重失常的有力方法。軟件ESD抑制措施分為兩種常用的類別：刷新、檢查并且恢復(fù)。刷新涉及到周期性地復(fù)位到休止?fàn)顟B(tài)，并且刷新顯示器和指示器狀態(tài)。只需進(jìn)行一次刷新然后假設(shè)狀態(tài)是正確的，其它的事就不用做了。檢查/恢復(fù)過程用于決定程序是否正確執(zhí)行，它們在一定間隔時(shí)間被激活，以確認(rèn)程序是否在完成某個(gè)功能。如果這些功能沒有實(shí)現(xiàn)，一個(gè)恢復(fù)程序被激活。

一般ESD對策準(zhǔn)則：

（1）在易感CMOS、MOS器件中加入保護(hù)二極管；

（2）在易感傳輸線上（地線在內(nèi)）串幾十歐姆的電阻或鐵氧體磁珠；

（3）使用靜電保護(hù)表面涂敷技術(shù)，使ESD難以機(jī)芯放電，經(jīng)證明十分有效；

（4）盡量使用屏蔽電纜；

（5）在易感接口處安裝濾波器；并將無法安裝濾波器的敏感接口加以隔離；

（6）選擇低脈沖頻率的邏輯電路；

（7）外殼屏蔽加良好的接地。