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如何提高电子产品的抗干扰能力和电磁兼容性

在研制带处理器的电子产品时,如何提高抗干扰能力和电磁兼容性?

一、下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰:

1、微控制器时钟频率特别高,总线周期特别快的系统。

2、系统含有大功率,大电流驱动电路,如产生火花的继电器,大电流开关等。

3、含微弱模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。


二、采取以下措施提高系统的抗电磁干扰能力:

1.选择低频微控制器:

选择外部时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声,提高系统的抗干扰能力。在相同频率的方波和正弦波中,方波中的高频成分远远超过正弦波。虽然方波高频成分的波幅度小于基波,但频率越高,越容易发射成为噪声源。微控制器产生的最具影响力的高频噪声大约是时钟频率的三倍。


2.减少信号传输中的畸变:

微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端的静态输入电流约为1mA,输入电容约为10PF。输入阻抗相当高。高速CMOS电路的输出端具有相当的承载能力,即相当大的输出值,通过长线将门的输出端导入输入阻抗较高的输入端。反射问题非常严重,会导致信号失真,增加系统噪声。当Tpd>Tr时,它成为一个传输线问题,必须考虑信号反射和阻抗匹配。

信号在印刷板上的延迟时间与导线的特性阻抗有关,即与印刷电路板材料的介电常数有关。大致可以认为,信号在印刷板导线上的传输速度约为光速的1/3到1/2。由微控制器组成的系统中常用的逻辑电话元件的Tr(标准延迟时间)在3到18ns之间。

在印刷电路板上,信号通过7W电阻和25厘米长的引线,线路延迟时间约为4~20ns。也就是说,信号在印刷线上的引线越短越好,最长不应超过25厘米。而且过孔的数量要尽量少,最好不超过2个。

当信号上升时间快于信号延迟时,应根据快速电子学进行处理。此时,应考虑传输线路的阻抗匹配。对于印刷电路板上集成块之间的信号传输,应避免TD>Trd。印刷电路板越大,系统速度越快。

印刷电路板设计的一条规则用以下结论来概括:

在印刷板上传输信号时,其延迟时间不得大于所用设备的标称延迟时间。


3.减少信号线之间的交叉干扰:

A点的上升时间为Tr的阶跃信号通过导线AB传输到B端。AB线上信号的延迟时间为TD。在D点,由于A点信号的向前传输,到达B点后的信号反射和AB线的延迟会在TD时间后感知一个宽度为Tr的页面脉冲信号。在C点,由于AB上信号的传输和反射,一个宽度将是AB线上信号延迟时间的两倍,即2TD的正脉冲信号。这是信号之间的交叉干扰。干扰信号的强度与C点信号的di/at以及线间的距离有关。当两条信号线不是很长时,AB实际上看到两个脉冲的叠加。

CMOS工艺制造的微控制由高输入阻抗、高噪声和高噪声容量组成。数字电路的噪声为100~200mv,不影响其工作。如果图中的AB线是一个模拟信号,这种干扰将变得不可容忍。例如,印刷电路板为四层板,其中一层为大面积地面或双面板。当信号线的反面为大面积地面时,信号之间的交叉干扰将变小。原因是大面积地面降低了信号线的特性阻抗,大大降低了信号在D端的反射。特性阻抗与信号线与地面之间介质的介电常数平方成反比,与介质厚度的自然对数成正比。如果AB线是第一个模拟信号,为了避免数字电路信号线CD对AB的干扰,AB线下应有大面积的地面,AB线与CD线之间的距离应大于AB线与地面之间距离的2~3倍。地线可以局部屏蔽,地线可以分布在引结的一侧。


4.减少来自电源的噪音:

在向系统提供能量的同时,电源还向电源添加噪声。电路中微控制器的复位线、中断线和其他控制线最容易受到外部噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路。即使在电池供电的系统中,电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号无法承受来自电源的干扰。


5.注意印刷线板和元件的高频特性:

在高频条件下,电路板上的引线、过孔、电阻、电容和连接器的分布电感和电容不容忽视。电容器的分布电感不容忽视,电感器的分布电容也不容忽视。当长度大于相应噪声频率波长的1/20时,电阻产生高频信号反射,引线的分布电容将起作用,产生天线效应,噪声通过引线向外发射。

印刷电路板的穿孔大约会导致0.6pf的电容。

2~6pf电容引入集成电路本身的包装材料。

电路板上的接插件具有520nH的分布电感。一个24引脚集成电路切割的双列直切,引入4~18nH的分布电感。

这些较小的分布参数在这一行的微控制器系统中可以忽略不计;而且对于高速系统一定要特别注意。


6.合理分区元件布置:

应充分考虑元件在印刷电路板上的位置。原则之一是各部件之间的导线应尽可能短。在布局上,应合理分离模拟信号部分、高速数字电路部分和噪声源部分(如继电器、大电流开关等),以最大限度地减少信号耦合。


7.处理好接地线:

电源线和地线是印刷电路板上最重要的。克服电磁干扰的主要手段是接地。

对于双面板,接地线的布局特别精致。通过单点接地法,电源和接地从电源的两端连接到印刷电路板,电源有一个连接点,地面有一个连接点。在印刷电路板上,应该有多个返回接地线,这在返回电源的连接点上,即所谓的单点接地。所谓的模拟接地。数字接地。大功率设备接地开分,是指接线分离,最终收集到该接地点。屏蔽电缆通常用于连接印刷电路板外的信号。对于高频和数字信号,屏蔽电缆的两端都接地。低频模拟信号屏蔽电缆,一端接地良好。

对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应采用金属盖屏蔽。


8.使用好去耦电容:

一个好的高频去耦电容器可以去除高到1GHZ的高频成分。陶瓷电容器或多层陶瓷电容器具有良好的高频特性。在设计和打印电路板时,应在每个集成电路的电源和地面之间增加一个去耦电容。去耦电容有两个功能:一方面是集成电路的储能电容,提供和吸收集成电路开启和关闭时的充放电能量;另一方面,设备的高频噪声会从旁路上消失。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容具有5nh分布电感,其平行共振频率约为7mHz,即对10mHz以下的噪声具有良好的去耦效果,对40mHz以上的噪声几乎不起作用。

1uf,10uf电容,并行共振频率在20mhz以上,最好去除高频噪声。即使是使用电池供电的系统也需要这种电容,这通常有利于电源进入印刷板和1uf或10uf的高频电容。

每10个集成电路应添加一个充放电电容器,或称为存储和放电电容器。电容的大小可以是10uf。最好不要使用电解电容器。电解电容器由两层薄膜卷起。这种卷曲结构在高频时具有电感。最好使用胆汁电容器或聚碳酸酝酿电容器。

去耦电容值的选择并不严格,可以按C=1/f计算;即10MHz取0.1uf,对于由微控制器组成的系统,取0.1~0.01uf。


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