電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)

1、一、電磁兼容的基本概念1、問題的提出： 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的應(yīng)用越來越普及，電子系統(tǒng)的規(guī)模越來越龐大，而體積卻越來越小，電子設(shè)備的安裝越來越密集，電子設(shè)備內(nèi)部元器件的安裝密度越來越高。使得電子設(shè)備之間、設(shè)備內(nèi)部電路之間的干擾問題越來越突出。2、什么是電磁兼容? 電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility-EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。 （國標(biāo)GB/T4365-1995） 通俗的講：電磁兼容是指多個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)在同一環(huán)境中能夠正常工作。 其含義包括兩個(gè)方面：不能形成干擾，也不能被干擾。 換句話

2、說：電磁兼容解決的是設(shè)備間干擾與被干擾的問題。3、電磁兼容研究的主要內(nèi)容： 電磁兼容設(shè)計(jì)；電磁兼容測試；電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)及電磁兼容預(yù)測。4、電磁干擾的三要素： 電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（1）干擾源耦合通道敏感體電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（2）5、 解決干擾的基本思路 該三要素本身形成了一個(gè)干擾系統(tǒng)，切斷系統(tǒng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可 以切斷干擾。6、電磁干擾的定義、分類 任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低的電磁現(xiàn)象。國標(biāo)GB/T4365-1995） 場的干擾：電場的干擾，磁場的干擾，電磁輻射的干擾。 傳導(dǎo)干擾：公共阻抗干擾（電阻、電容、電感），地干擾，漏電干擾7、電磁干擾的解決方法 空間分離：地點(diǎn)

3、位置控制，自然地形隔離，方位角控制，電場矢量方向控制。 頻率管理：頻率管制，濾波，頻率變換。 地線隔離：變壓器隔離，光電隔離，繼電器隔離，DC/DC變換 傳輸通道抑制：濾波，屏蔽。 時(shí)間分割：時(shí)間分隔，同步。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（3）8、什么叫EMC認(rèn)證 產(chǎn)品的EMC認(rèn)證是依據(jù)產(chǎn)品的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的技術(shù)要求，經(jīng)過認(rèn)證機(jī)構(gòu)測試確認(rèn)，并通過頒發(fā)認(rèn)證證書和認(rèn)證標(biāo)志來證明某一產(chǎn)品符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)技術(shù)的要求。 在我國EMC認(rèn)證已納入3C認(rèn)證范圍(中國強(qiáng)制認(rèn)證，英文名稱為“China Compulsory Certification”，英文縮寫為“CCC”，也可簡稱為“3C認(rèn)證”)，國家對有

4、強(qiáng)制性電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)或強(qiáng)制性電磁兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)中有電磁兼容強(qiáng)制條款的產(chǎn)品實(shí)行安全認(rèn)證制度，對這些實(shí)施電磁兼容安全認(rèn)證的產(chǎn)品在進(jìn)入流通領(lǐng)域?qū)嵤?qiáng)制性監(jiān)督管理（沒有進(jìn)行電磁兼容安全認(rèn)證就不能進(jìn)入流通領(lǐng)域)。9、電磁兼容性的測量EMC傳導(dǎo)干擾測量電磁干擾測量輻射干擾測量測量傳導(dǎo)敏感度測量電磁敏感度測量輻射敏感度測量電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（4）二、常用的抗干擾技術(shù)1、接地技術(shù) （1） 地的分類：信號(hào)地，電源地，大地（安全地、機(jī)殼地、屏蔽地、防雷接地）等。 （2）安全地：防止發(fā)生人身傷害事故而將機(jī)殼接大地電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（5）（3）信號(hào)接地方式：懸浮地、一點(diǎn)接地，多點(diǎn)接地、混合

5、接地 地：傳統(tǒng)認(rèn)為地是信號(hào)的參考電位，以地為0電平，理想的情況下地線上任兩點(diǎn)間的電位差為零，但實(shí)際上地線仍然要用金屬導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)，不可避免的存在導(dǎo)線的阻抗，同時(shí)地線也是信號(hào)回路的一部分，是信號(hào)電流回流的必經(jīng)之路，這樣就在地線上形成了電位差。 當(dāng)各種信號(hào)電流流經(jīng)同一地線阻抗時(shí)，形成了公共阻抗干擾。為了減少地線引起的干擾，采用合適的接地方式。（4）接地方式的分析： 懸浮地或隔離地: 接地面不與大地相連，低頻時(shí)可采用。優(yōu)點(diǎn)：防止由于接地線引入的傳導(dǎo)干擾。缺點(diǎn)：設(shè)備不與公共地直接連接，容易產(chǎn)生靜電積累，引起靜電放電。補(bǔ)救的辦法是在設(shè)備與公共地之間接一個(gè)阻值很大的電阻，以便泄放積累的電荷。高頻時(shí)分布電容影

6、響大。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（6） 單點(diǎn)接地： 將各電路單元接地線分別引到系統(tǒng)的唯一基準(zhǔn)接地點(diǎn)，該接地點(diǎn)經(jīng)常是電源地。對于信號(hào)而言，電線和電源線是相同的，干擾方式和連接方式也是向雷同的。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（7）獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地： 優(yōu)點(diǎn):各電路的電位：各設(shè)備的電位僅與各自的電流和地線電阻有關(guān)，不受其他設(shè)備的影響，可防止各設(shè)備之間相互干擾和地回路的干擾。 缺點(diǎn)：若設(shè)備很多,需要很多根地線，級間信號(hào)耦合時(shí)使接地導(dǎo)線加長，阻抗增大，還會(huì)出現(xiàn)各接地導(dǎo)線間的相互耦合，不適用于高頻。共用地線串聯(lián)一點(diǎn)接地： 缺點(diǎn)：可以看出，A、B、C各點(diǎn)的電位不僅不為零，而且受其它電路的影響,從防止和抑制

7、干擾的角度，這種接地方法不好。優(yōu)點(diǎn)：這種接地方法的結(jié)構(gòu)比較簡單，各電路的接地線短，電阻較小，在設(shè)備機(jī)柜中是常用的一種接地方式。采用這種接地方式要注意把最低電平電路放在靠近A處，以使B點(diǎn)和C點(diǎn)的電位升高最小。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（8）多點(diǎn)接地： 將各電路單元的地線就近接到地平面上，該地平面經(jīng)常是底板、機(jī)殼。為了降低地電位，接地線應(yīng)盡可能短，以便降低接地線的阻抗。優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，接地線短。缺點(diǎn)：地線回路增多，會(huì)出現(xiàn)一些共阻抗耦合。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（9）混合接地在有些設(shè)備中，既有高頻電路又有低頻電路。各電路單元內(nèi)部采用自己的接地方式（多點(diǎn)或單點(diǎn)接地），再將各單元地線采用并聯(lián)一點(diǎn)接

8、地接到系統(tǒng)地。適合較大的、復(fù)雜的系統(tǒng)。接地方式的關(guān)鍵是有地線阻抗（該阻抗有可能是公共阻抗），如果地線阻抗為0，那么也就無所謂接地方式。 設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡量減少地線阻抗，并采用合適的接地方式和電源濾波。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（10）接地方式的存在是有地線阻抗，如果地線阻抗為0，那么也就無所謂接地方式。地線干擾主要是地線電阻造成地線電位不等和地線電流流向失去控制。設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡量減少地線阻抗；并采用合適的接地方式減少地線的公共阻抗作用（控制地線電流的走向）；電源濾波。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（11）地線阻抗：地線的實(shí)施必須通過導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)，任何導(dǎo)體都存在阻抗，對地線來講主要是分布電阻和分布電

9、感。而且由于趨膚效應(yīng)的存在，高頻影響更大。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（12）導(dǎo)線阻抗：減小地線阻抗的方法：加大導(dǎo)線截面積，采用大面積接地，采用多股線，表面鍍 銀等。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（13）地線環(huán)路 以及引入的傳導(dǎo)干擾解決方法（包括共模干擾和差模干擾）電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（14）隔離法電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（15）平衡法（儀表放大器）電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（16）濾波法：在該例子中，地線干擾主要是共模干擾，在扼流圈中對共模信號(hào)同名端在同一邊，互感加強(qiáng)。對差模信號(hào)同名端在兩邊，磁場抵消。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（17）電感電容的特性：電感電容的特性說明其阻抗與

10、頻率、材料、標(biāo)稱值等有關(guān)，適用是必須因地制宜，合理搭配，優(yōu)勢互補(bǔ)。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（18）電源濾波電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（19）三端電容的使用及方法的借鑒：三端電容與普通電容的區(qū)別是上邊的兩根引線直接從電容極板上引出，普通電容是一根引線在電路中分開。解決了上端引線電感的影響，是被濾波電流必經(jīng)電容極板。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（20）低頻磁場、電場的屏蔽電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（21）電纜屏蔽層接地方法不接地時(shí)的磁場、電場干擾電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（22）磁場對地線的干擾磁場在地線回路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓地線和信號(hào)線存在互感耦合電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（23）雙絞線

11、的抗干擾能力右手拇指指向磁場變化的反方向，四指握拳，四指方向即為感應(yīng)電動(dòng)勢方向。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（24）三、電磁兼容與PCB的關(guān)系 電磁兼容問題是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，牽扯到系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料、元件、電路、PCB板、接頭、電源、工藝等任何一個(gè)地方；貫穿從系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、安裝、測試、使用、老化等全過程；涉及電路、電磁場、電子材料等知識(shí)。對測試手段要求很高。 本節(jié)僅介紹基本概念并應(yīng)用到PCB的設(shè)計(jì)中。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（25）三、PCB的基本知識(shí)1、什么是印刷電路板？ 印刷電路板也稱PCB (Printed Circuit Board)板,它是在敷銅 板上用腐蝕的方法除去多余的銅

12、箔、保留必要的銅箔作為導(dǎo)體而得到的可焊接電子元件的電路板。腐蝕后留下的可焊接元件的銅箔電路絕緣基板其分為： 單面板 雙面板 多層板電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（26） 印制電路板實(shí)際上是一個(gè)連接、承載元件的載體，和元件一起組成了實(shí)際的電路。 印制電路板上元件的位置、方向安排，導(dǎo)線的位置、參數(shù)的設(shè)計(jì)將影響實(shí)際電路的工作狀況，印制電路板的設(shè)計(jì)就是根據(jù)電路的功能、工作頻率、功率等合理的安排元件和導(dǎo)線。 印制電路板的設(shè)計(jì)要綜合考慮電路參數(shù)、元件參數(shù)、安裝位置、尺寸大小、散熱、干擾、pcb材料等多種因素，折衷考慮， PCB板設(shè)計(jì)的好壞沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只有一般的、指導(dǎo)性的意見。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)

13、（27） 2、電路板的層（Layer ）： 電路板中的層不是虛擬的而是印刷板材料本身實(shí)實(shí)在在的銅箔層, 除了常用的單層電路板之外，由于一些較新的電子產(chǎn)品電子線路的元件密集中，所用的印刷板不僅有上下兩面雙層走線,在板的中間還設(shè)有能被特殊加工的夾層銅箔，例如計(jì)算機(jī)主板所用的印板材料多在4 層以上。其分為： 單面板 雙面板 多層板頂層 Top過孔 Via底層 Bottom中間層 Mid絕緣層電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（28） 3、各種膜（Mask）焊盤阻焊膜（Solder Mask）絲印膜（Silkscreen）助焊膜（Past Mask）多層板多層板電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（29）4、敷銅板

14、的分類 敷銅板,全稱應(yīng)為 敷銅箔層壓板，是在絕緣基板上粘一層銅箔而成。絕緣基板銅箔電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（30）（1）酚醛紙敷銅板 易潮，不阻燃，便宜，做收音機(jī)等 。（2）環(huán)氧紙敷銅板 耐潮、耐高溫，價(jià)偏高，做儀器、儀表等。（3）環(huán)氧玻璃布敷銅板 基板透明，優(yōu)于前者，價(jià)較高，做高檔電器。（4）聚四氟乙烯敷銅板 介質(zhì)損耗低 價(jià)高，用于高頻電路（5）柔性電路板 可彎曲電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（31）幾種主要基板材料物理電氣性能表 電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（32）電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（33）5、PCB版的制作過程 A、根據(jù)電路原理圖設(shè)計(jì)PCB板圖 B、光繪成正像膠片 C、準(zhǔn)備敷

15、銅板 D、上保護(hù)油墨 E、曝光 F、清洗 G、腐蝕 H、上阻焊油墨 I、曝光 J、清洗 K、印字符 L、上助焊劑電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（34）干膜干膜壓膜前壓膜前壓膜后壓膜后 壓膜壓膜 將經(jīng)處理之基板銅面透過熱壓方式貼上抗蝕干膜電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（35）曝光曝光 經(jīng)光源作用將原始底片上的圖像轉(zhuǎn)移到感光底板上主要原物料主要原物料: :底片 內(nèi)層所用底片為負(fù)片,即白色透光部分發(fā)生光聚合反應(yīng), 黑色部分則因不透光,不發(fā)生反應(yīng),外層所用底片剛好與內(nèi)層相反,底片為正片UV光光曝光前曝光前曝光后曝光后電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（36）顯影顯影用堿液作用將未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之干膜部分沖掉主要原

16、物料主要原物料: :Na2CO3使用將未發(fā)生聚合反應(yīng)之干膜沖掉,而發(fā)生聚合反應(yīng)之干膜則保留在板面上作為蝕刻時(shí)之抗蝕保護(hù)層顯影后顯影后顯影前顯影前電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（37） 蝕刻后蝕刻后蝕刻前蝕刻前 蝕刻蝕刻 利用藥液將顯影后露出的銅蝕掉,形成內(nèi)層線路圖形 主要原物料主要原物料:蝕刻藥液(CuCl2)去膜后去膜后去膜前去膜前 去膜去膜 利用強(qiáng)堿將保護(hù)銅面之抗蝕層剝掉,露出線路圖形 主要原物料主要原物料:NaOH電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（38） 在設(shè)計(jì)印制板時(shí)需要先行繪制原理圖。這樣可以保證不會(huì)出現(xiàn)電路原理上的錯(cuò)誤；資料完整；添加元件速度快。原理圖繪制的基本原則：（1）符合人的讀圖習(xí)

17、慣（2）盡量體現(xiàn)出電路原理方面的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)等，容易理解（圖形文件）（3）符合一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)原理圖中的幾個(gè)要素：（1）元件：元件標(biāo)號(hào)、參數(shù)和型號(hào)、封裝等（2）連線：細(xì)線、總線、節(jié)點(diǎn)（3）網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)（4）注釋電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（39） 原理圖繪制的步驟與考慮（1）布局電路的主要部分布置在圖紙的中間部分，次要部分布置在圖紙的周圍以信號(hào)的流程為導(dǎo)向，從左到右、從上到下排列屬于同一電路單元內(nèi)的元件集中放置不同電路單元之間留有間隔（電路圖是有節(jié)奏的）整個(gè)圖紙布局要相對勻稱，清晰特殊元件的位置要體現(xiàn)出元件的功能和要求（2）布線橫平豎直，減少交叉，便于視線追蹤對于相同性質(zhì)的多根連線使用總線連接對于連接

18、距離比較長的連線用標(biāo)號(hào)連接電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（40） 電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（41）設(shè)計(jì)印制板布局時(shí)考慮的幾個(gè)問題（1）熱穩(wěn)定性的考慮（2）抗干擾性能的考慮（3）機(jī)械強(qiáng)度的考慮（4）布線及加工工藝（加工精度和成本）電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（42）（1）熱穩(wěn)定性的考慮意義：電子電路一般對溫度的變化比較敏感（參數(shù)變化），耐受高溫的能力也比較差（燒毀或壽命縮短），所以在設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)必須考慮電路板的散熱和電路的熱穩(wěn)定性，使電路在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)都能正常工作。不利因素：印制電路板本身是熱的不良導(dǎo)體；在平面安裝時(shí)不利于熱空氣對流（不透氣）；元件的安裝密度比較大，而且希望將所有元

19、件都安裝在電路板上；體積越來越?。缓头缐m、防水、防潮存在矛盾?？紤]因素：任何電路元件只要通電就會(huì)有損耗、就會(huì)發(fā)熱，設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)主要是通過合理地安排元件的布局，盡可能有利于散熱和減少溫度的影響。 電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（43）假設(shè)一個(gè)平面安裝的電路板上各元件均勻分布且發(fā)熱量相等（稱為均勻熱負(fù)載），則熱平衡后板上溫度分布如圖所示所以，一般來講： 溫度敏感元件盡量靠近電路板的邊沿安裝； 發(fā)熱量大的元件盡量靠近電路板的邊沿安裝； 溫度敏感元件盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的元件和溫度比較高區(qū)域。例如：高精度直流放大器遠(yuǎn)離電源和功率器件； 電解電容離開功率器件和散熱器。溫升電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（44

20、）也可以采取隔熱措施： 在發(fā)熱元件和溫度敏感元件之間安裝一塊隔熱板； 將發(fā)熱元件安裝在高位，溫度敏感元件安裝在低位。例如：將電路板立式安裝；或?qū)l(fā)熱元件架高安裝。另一種方法是采取散熱措施： 給發(fā)熱元件加裝散熱器（分為自然、風(fēng)冷.），并使熱量盡可能的排到機(jī)箱外； 給發(fā)熱元件、溫度敏感元件下面打散熱孔，解決對流問題； 利用印制板銅箔散熱（兩面都利用時(shí)要打過孔，并去掉阻焊）； 增加機(jī)箱的散熱性能（開孔的大小、形狀、數(shù)量等），發(fā)熱元件靠近散熱孔； 使用導(dǎo)熱硅脂等輔助材料。電路的抗干擾技術(shù)與PCB設(shè)計(jì)（45）（2）抗干擾性能的考慮 干擾敏感元件和干擾源之間拉開距離，如直尺排列，導(dǎo)線間距加大，高電平和低電平電路分開； 干擾敏感元件和干擾源之間隔離，如導(dǎo)線隔離、元件隔離、電源地線層隔離，布線層隔離； 干擾敏感元件和干擾源之間變換方位，如導(dǎo)線避免平行，電感垂直安裝，電容垂直安裝； 干擾敏感元件和干擾源之間的頻譜錯(cuò)開，減小帶寬； 合理進(jìn)行地線層分割，各電路模塊集中安