單片機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性的設(shè)計詳解

隨著單片機(jī)系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)類電子、醫(yī)療、工業(yè)自動化、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題。

如果一個單片機(jī)系統(tǒng)符合下面三個條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的：

① 對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾;
② 對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感;
③ 對系統(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(通過導(dǎo)體、公共阻抗耦合等)，就是間接的(通過串?dāng)_或輻射耦合)。電磁干擾的產(chǎn)生是通過導(dǎo)體和通過輻射，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、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。在高速單片機(jī)系統(tǒng)中，時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、中斷線和控制線。

1、干擾的耦合方式

(1) 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)過導(dǎo)體。一條穿過噪聲環(huán)境的導(dǎo)線可撿拾噪聲并把噪聲送到其它電路引起干擾。設(shè)計人員必須避免導(dǎo)線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電源線進(jìn)入電路。若電源本身或連接到電源的其它電路是干擾源，則在電源線進(jìn)入電路之前必須對其去耦。

(2) 公共阻抗耦合
當(dāng)來自兩個不同電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時就會產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個電路決定，來自兩個電路的地電流流經(jīng)共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調(diào)制，噪聲信號或DC補(bǔ)償經(jīng)共地阻抗從電路2耦合到電路1。

(3) 輻射耦合
經(jīng)輻射的耦合通稱串?dāng)_。串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時產(chǎn)生電磁場，而電磁場在鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)瞬態(tài)電流。

(4) 輻射發(fā)射
輻射發(fā)射有兩種基本類型：差分模式(DM)和共模(CM)。共模輻射或單極天線輻射是由無意的壓降引起的，它使電路中所有地連接抬高到系統(tǒng)地電位之上。就電場大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問題。為使CM輻射最小，必須用切合實際的設(shè)計使共模電流降到零。

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。
② 頻率。高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)器件開關(guān)時產(chǎn)生電流尖峰信號;在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時產(chǎn)生電流尖峰信號。
③ 接地。在所有EMC問題中，主要問題是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號接地方法：單點(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1 MHz時，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不能混合。
④ PCB設(shè)計。適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對防止EMI是至關(guān)重要的。
⑤ 電源去耦。當(dāng)器件開關(guān)時，在電源線上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓，高di/dt 產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵部件和線纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時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

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的密度越來越高。PCB設(shè)計的好壞對單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實踐證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，印刷電路板設(shè)計不當(dāng)，也會對單片機(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)平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計印刷電路板的時候，應(yīng)注意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。

3.1 PCB設(shè)計的一般原則

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)計質(zhì)量好、成本低的PCB，應(yīng)遵循以下一般性原則。

(1) 特殊元器件布局

首先，要考慮PCB尺寸的大?。篜CB尺寸過大時，印刷線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加;過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對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。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。
③ 重量超過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)考慮散熱問題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。
④ 對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(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)。
⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

(2) 一般元器件布局

根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時，要符合以下原則：
① 按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。
② 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進(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和連接。
③ 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)。
④ 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。長寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mm&TImes;150 mm時，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

(3) 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，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。
② 印刷板導(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，通過2 A的電流，溫升不會高于3℃。因此，導(dǎo)線寬度為1.5 mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3 mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，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。
③ 印刷導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時，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。

(4) 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。對高密度的數(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+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)計與具體電路有著密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設(shè)計的幾項常用措施作一些說明。

(1) 電源線設(shè)計

根據(jù)印刷線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻;同時，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。

(2) 地線設(shè)計

在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。單片機(jī)系統(tǒng)中地線結(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。在地線設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
① 正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1 MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地的方式。當(dāng)信號工作頻率大于10 MHz時，地線阻抗變得很大，此時應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1～10MHz時，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長度不應(yīng)超過波長的 1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。
② 數(shù)字地與模擬地分開。電路板上既有高速邏輯電路，又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不要相混，分別與電源端地線相連。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(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，要盡量加大線性電路的接地面積。
③ 接地線應(yīng)盡量加粗。若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位會隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能降低。因此應(yīng)將接地線盡量加粗，使它能通過三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能，接地線的寬度應(yīng)大于3 mm。
④ 接地線構(gòu)成閉環(huán)路。設(shè)計只由數(shù)字電路組成的印刷電路板的地線系統(tǒng)時，將接地線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，因受接地線粗細(xì)的限制，會在地線上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪能力下降;若將接地線構(gòu)成環(huán)路，則會縮小電位差值，提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。

(3) 退耦電容配置

PCB設(shè)計的常規(guī)做法之一，是在印刷板的各個關(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：
① 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。
② 原則上每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個0.01 pF的瓷片電容。如遇印刷板空隙不夠，可每4～8個芯片布置一個1～10 pF的鉭電容。
③ 對于抗噪能力弱、關(guān)斷時電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應(yīng)在芯片的電源線和地線之間直接接入退耦電容。
④ 電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。

此外，還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：
① 在印刷板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流。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，對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越短越好。RC振蕩器對干擾信號有潛在的敏感性，它能產(chǎn)生很短的時鐘周期，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。

(5) 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、信號線，要考慮系統(tǒng)的防雷擊問題。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，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)入大地。TVS可以看成兩個并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)兩端電壓高于某一值時導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃至上千A的電流。

結(jié)語

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。實踐表明，在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝和運(yùn)行的各個階段，都需要考慮其電磁兼容性，只有這樣，才能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定、可靠、安全地運(yùn)行。

來源：網(wǎng)絡(luò)

審核編輯 黃昊宇