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單片機系統的電磁兼容性設計 [2014/9/24]

   随着單片機系統越來越廣泛地應用于消費類電子、醫療、工業自動化、智能化儀器儀表、液位計物位計物位變送器液位變送器電容式物位計電容式液位計電容式物位變送器電容式液位變送器物位開關液位開關電容液位計電容物位計液位儀表物位儀表電容液位變送器電容物位變送器射頻電容式液位開關射頻電容式物位開關電容式液位開關電容式物位開關音叉式液位開關航空航天等各領域,單片機系統面臨着電磁幹擾(EMI)日益嚴重的威脅。電磁兼容性(EMC)包含系統的發射和敏感度兩方面的問題。如果一個單片機系統符合下面三個條件,則該系統是電磁兼容的:
    ① 對其它系統不産生幹擾;② 對其它系統的發射不敏感;③ 對系統本身不産生幹擾。
    假若幹擾不能完全消除,但也要使幹擾減少到最小。幹擾的産生不是直接的(通過導體、公共阻抗耦合等),就是間接的(通過串擾或輻射耦合)。電磁幹擾的産生是通過導體和通過輻射,很多電磁發射源,如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可引起幹擾;AC電源線、互連電纜、金屬電纜和子系統的内部電路也都可能産生輻射或接收到不希望的信号。在高速單片機系統中,時鐘電路通常是寬帶噪聲的最大産生源,這些電路可産生高達300 MHz的諧波失真,在系統中應該把它們去掉。另外,在單片機系統中,最容易受影響的是複位線、中斷線和控制線。
    1 幹擾的耦合方式(1)傳導性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過導體。一條穿過噪聲環境的導線可撿拾噪聲并把噪聲送到其它電路引起幹擾。設計人員必須避免導線撿拾噪聲和在噪聲引起幹擾前,用去耦辦法除去噪聲。最普通的例子是噪聲通過電源線進入電路。若電源本身或連接到電源的其它電路是幹擾源,則在電源線進入電路之前必須對其去耦。
    (2)公共阻抗耦合當來自兩個不同電路的電流流經一個公共阻抗時就會産生共阻抗耦合。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共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調制,噪聲信号或DC補償經共地阻抗從電路2耦合到電路1.
    (3)輻射耦合經輻射的耦合通稱串擾。串擾發生在電流流經導體時産生電磁場,而電磁場在鄰近的導體中感應瞬态電流。
    (4)輻射發射輻射發射有兩種基本類型: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擡高到系統地電位之上。就電場大小而言,CM輻射是比DM輻射更為嚴重的問題。為使CM輻射最小,必須用切合實際的設計使共模電流降到零。
    2 影響EMC的因數① 電壓。電源電壓越高,意味着電壓振幅越大,發射就更多,而低電源電壓影響敏感度。
    ② 頻率。高頻産生更多的發射,周期性信号産生更多的發射。在高頻單片機系統中,當器件開關時産生電流尖峰信号;在模拟系統中,當負載電流變化時産生電流尖峰信号。
    ③ 接地。在所有EMC問題中,主要問題是不适當的接地引起的。有三種信号接地方法:單點、多點和混合。在頻率低于1 MHz時,可采用單點接地方法,但不适于高頻;在高頻應用中,最好采用多點接地。混合接地是低頻用單點接地,而高頻用多點接地的方法。地線布局是關鍵,高頻數字電路和低電平模拟電路的地回路絕對不能混合。
    ④ PCB設計。适當的印刷電路闆(PCB)布線對防止EMI是至關重要的。
    ⑤ 電源去耦。當器件開關時,在電源線上會産生瞬态電流,必須衰減和濾掉這些瞬态電流。來自高di/dt源的瞬态電流導緻地和線迹“發射”電壓,高di/dt 産生大範圍高頻電流,激勵部件和線纜輻射。流經導線的電流變化和電感會導緻壓降,減小電感或電流随時間的變化可使該壓降最小。
    3 印刷電路闆(PCB)的電磁兼容性設計PCB是單片機系統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。随着電子技術的飛速發展,PCB的密度越來越高。PCB設計的好壞對單片機系統的電磁兼容性影響很大,實踐證明,即使電路原理圖設計正确,印刷電路闆設計不當,也會對單片機系統的可靠性産生不利影響。例如,如果印刷闆兩條細平行線靠得很近,則會形成信号波形的延遲,在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此,在設計印刷電路闆的時候,應注意采用正确的方法,遵守PCB設計的一般原則,并應符合抗幹擾設計的要求。
    3.1 PCB設計的一般原則要使電子電路獲得最佳性能,元器件的布局及導線的布設是很重要的。為了設計質量好、成本低的PCB,應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,且鄰近線條易受幹擾。在确定PCB尺寸後,再确定特殊元器件的位置。最後,根據電路的功能單元,對電路的全部元器件進行布局。
    在确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,設法減少它們的分布參數和相互間的電磁幹擾。易受幹擾的元器件不能相互挨得太近,輸入和輸出元件應盡量遠離。
    ② 某些元器件或導線之間可能有較高的電位差,應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盡量布置在調試時手不易觸及的地方。
    ③ 重量超過15 g的元器件,應當用支架加以固定,然後焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件,不宜裝在印刷闆上,而應裝在整機的機箱底闆上,且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發熱元件。
    ④ 對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局,應考慮整機的結構要求。若是機内調節,應放在印刷闆上方便調節的地方;若是機外調節,其位置要與調節旋鈕在機箱面闆上的位置相适應。
    ⑤ 留出印刷闆定位孔及固定支架所占用的位置。
    (2)一般元器件布局根據電路的功能單元,對電路的全部元器件進行布局時,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,使布局便于信号流通,并使信号盡可能保持一緻的方向。
    ② 以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進行布局。元器件應均勻、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。一般電路應盡可能使元器件平行排列,這樣,不但美觀,而且裝焊容易,易于批量生産。
    ④ 位于電路闆邊緣的元器件,離電路闆邊緣一般不小于2 mm.電路闆的最佳形狀為矩形。長寬比為3:2或4:3.電路闆面尺寸大于200 mm×150 mm時,應考慮電路闆所受的機械強度。
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