PCB設(shè)計(jì)中屏蔽干擾的方法以及PCB電路中的電磁兼容設(shè)計(jì)

     PCB設(shè)計(jì)中屏蔽干擾的方法有哪些 

     高速PCB設(shè)計(jì)布線系統(tǒng)的傳輸速率在穩(wěn)步加快的同時(shí)也帶來了某種防干擾的脆弱性，這是因?yàn)閭鬏斝畔⒌念l率越高，信號(hào)的敏感性增加，同時(shí)它們的能量越來越弱，此時(shí)的布線系統(tǒng)就越容易受干擾。干擾無處不在，電纜及設(shè)備會(huì)對其他元件產(chǎn)生干擾或被其他干擾源嚴(yán)重干擾，例如：計(jì)算機(jī)屏幕、移動(dòng)電話、電動(dòng)機(jī)、無線電轉(zhuǎn)播設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸及動(dòng)力電纜等。此外，潛在的竊聽者、網(wǎng)絡(luò)犯罪及黑客不斷增加，因?yàn)樗麄儗TP電纜信息傳輸?shù)臄r截會(huì)造成巨大的損害及損失。

     尤其在使用高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，攔截大量信息所需要的時(shí)間顯著低于攔截低速數(shù)據(jù)傳輸所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)雙絞線中的絞合線對在低頻下可以靠自身的絞合來抵抗外來干擾及線對之間的串音，但在高頻情況下（尤其在頻率超過250MHz以上時(shí)），僅靠線對絞合已無法達(dá)到抗干擾的目的，只有屏蔽才能夠抵抗外界干擾。

     電纜屏蔽層的作用就像一個(gè)法拉第護(hù)罩，干擾信號(hào)會(huì)進(jìn)入到屏蔽層里，但卻進(jìn)入不到導(dǎo)體中。因此，數(shù)據(jù)傳輸可以無故障運(yùn)行。由于屏蔽電纜比非屏蔽電纜具有較低的輻射散發(fā)，因而防止了網(wǎng)絡(luò)傳輸被攔截。屏蔽網(wǎng)絡(luò)（屏蔽的電纜及元器件）能夠顯著減小進(jìn)入到周圍環(huán)境中而可能被攔截的電磁能輻射等級(jí)。

     不同干擾場的屏蔽選擇干擾場主要有電磁干擾及射頻干擾兩種。電磁干擾（EMI）主要是低頻干擾，馬達(dá)、熒光燈以及電源線是通常的電磁干擾源。射頻干擾（RFI）是指無線頻率干擾，主要是高頻干擾。無線電、電視轉(zhuǎn)播、雷達(dá)及其他無線通訊是通常的射頻干擾源。對于抵抗電磁干擾，選擇編織屏蔽最為有效，因其具有較低的臨界電阻；對于射頻干擾，箔層屏蔽最有效，因編織屏蔽依賴于波長的變化，它所產(chǎn)生的縫隙使得高頻信號(hào)可自由進(jìn)出導(dǎo)體；而對于高低頻混合的干擾場，則要采用具有寬帶覆蓋功能的箔層加編織網(wǎng)的組合屏蔽方式。通常，網(wǎng)狀屏蔽覆蓋率越高，屏蔽效果就越好。

     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，用較大的旋鈕（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管輸入端串接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。