單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

引 言

隨著單片機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)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(wèn)題。如果一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)符合下面三個(gè)條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的：
　① 對(duì)其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾；
　?、?對(duì)其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感；
　?、?對(duì)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(guò)導(dǎo)體、公共阻抗耦合等），就是間接的（通過(guò)串?dāng)_或輻射耦合）。電磁干擾的產(chǎn)生是通過(guò)導(dǎo)體和通過(guò)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(xiàn)、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(hào)。在高速單片機(jī)系統(tǒng)中，時(shí)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)サ簟Ａ硗?，在單片機(jī)系統(tǒng)中，最容易受影響的是復(fù)位線(xiàn)、中斷線(xiàn)和控制線(xiàn)。

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(guò)導(dǎo)體。一條穿過(guò)噪聲環(huán)境的導(dǎo)線(xiàn)可撿拾噪聲并把噪聲送到其它電路引起干擾。設(shè)計(jì)人員必須避免導(dǎo)線(xiàn)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(guò)電源線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)入電路之前必須對(duì)其去耦。

（2）公共阻抗耦合

當(dāng)來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共阻抗耦合。阻抗上的壓降由兩個(gè)電路決定，來(lái)自?xún)蓚€(gè)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(hào)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(chēng)串?dāng)_。串?dāng)_發(fā)生在電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)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(lèi)型：差分模式（DM）和共模（CM）。共模輻射或單極天線(xiàn)輻射是由無(wú)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(chǎng)大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴(yán)重的問(wèn)題。為使CM輻射最小，必須用切合實(shí)際的設(shè)計(jì)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(hào)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(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)；在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號(hào)。

③ 接地。在所有EMC問(wèn)題中，主要問(wèn)題是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號(hào)接地方法：?jiǎn)吸c(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1 MHz時(shí)，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(xiàn)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(duì)不能混合。

④ PCB設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線(xiàn)對(duì)防止EMI是至關(guān)重要的。

⑤ 電源去耦。當(dāng)器件開(kāi)關(guān)時(shí)，在電源線(xiàn)上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來(lái)自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線(xiàn)跡“發(fā)射”電壓，高di/dt 產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵(lì)部件和線(xiàn)纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時(shí)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(jì)

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(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實(shí)踐證明，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對(duì)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(xiàn)靠得很近，則會(huì)形成信號(hào)波形的延遲，在傳輸線(xiàn)的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)印刷電路板的時(shí)候，應(yīng)注意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計(jì)的要求。

3.1 PCB設(shè)計(jì)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(xiàn)的布設(shè)是很重要的。為了設(shè)計(jì)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尺寸的大小：PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印刷線(xiàn)條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線(xiàn)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(duì)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(shí)要遵守以下原則：

① 盡可能縮短高頻元器件之間的連線(xiàn)，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€(xiàn)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(shí)手不易觸及的地方。

③ 重量超過(guò)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(wèn)題。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

④ 對(duì)于電位器、可調(diào)電感線(xiàn)圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)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(duì)電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

① 按照電路的流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致的方向。

② 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞它來(lái)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(xiàn)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(guān)，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(zhǎng)寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時(shí)，應(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)度。

（3）布線(xiàn)

布線(xiàn)的原則如下：

① 輸入輸出端用的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線(xiàn)間地線(xiàn)，以免發(fā)生反饋耦合。

② 印刷板導(dǎo)線(xiàn)的最小寬度主要由導(dǎo)線(xiàn)與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過(guò)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(shí)，通過(guò)2 A的電流，溫升不會(huì)高于3℃。因此，導(dǎo)線(xiàn)寬度為1.5 mm可滿(mǎn)足要求。對(duì)于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3 mm導(dǎo)線(xiàn)寬度。當(dāng)然，只要允許，還是盡可能用寬線(xiàn)，尤其是電源線(xiàn)和地線(xiàn)。導(dǎo)線(xiàn)的最小間距主要由最壞情況下的線(xiàn)間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對(duì)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(xiàn)拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì)影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(zhǎng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時(shí)，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。