PCB的数字电路抗干扰设计

Crash · 发表于 2022-9-20 10:02

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本帖最后由 Crash 于 2022-9-26 16:27 编辑

在电子系统设计中，为了少走弯路和节省时间，应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。形成干扰的基本要素有三个：
（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
（3）敏感器件，指容易***扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。（类似于传染病的预防）

1 抑制干扰源
抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。
抑制干扰源的常用措施如下：
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K 到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。
（3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。
（4）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
（5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
（6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。
按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。
所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。
所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。
2 切断干扰传播路径的常用措施如下：
（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感, 要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω 电阻代替磁珠。
（2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π 形滤波电路）。控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加π形滤波电路）。
（3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。
（4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。
（5）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。
（6）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。
（7）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。
3 提高敏感器件的抗干扰性能
提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不
正常状态尽快恢复的方法。
提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：
（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。
（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045 等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。
（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。

我先说说我在这方面的经验吧！不当之处请指正，有好经验与心得也请大方贡献！
软件方面：
1、我习惯于将不用的代码空间全清成“0”，因为这等效于NOP，可在程序跑飞时归位；
2、在跳转指令前加几个NOP，目的同1；
3、在无硬件WatchDog时可采用软件模拟WatchDog，以监测程序的运行；
4、涉及处理外部器件参数调整或设置时，为防止外部器件因受干扰而出错可定时将参数重新发送一遍，这样可使外部器件尽快恢复正确；
5、通讯中的抗干扰，可加数据校验位，可采取3取2或5取3策略；
6、在有通讯线时，如I^2C、三线制等，实际中我们发现将Data线、CLK线、INH线常态置为高，其抗干扰效果要好过置为低。
硬件方面：
1、地线、电源线的部线肯定重要了！
2、线路的去偶；
3、数、模地的分开；
4、每个数字元件在地与电源之间都要104电容；
5、在有继电器的应用场合，尤其是大电流时，防继电器触点火花对电路的干扰，可在继电器线圈间并一104和二极管，在触点和常开端间接472电容，效果不错！
6、为防I/O口的串扰，可将I/O口隔离，方法有二极管隔离、门电路隔离、光偶隔离、电磁隔离等；
7、当然多层板的抗干扰肯定好过单面板，但成本却高了几倍。
8、选择一个抗干扰能力强的器件比之任何方法都有效，我想这点应该最重要。因为器件天生的不足是很难用外部方法去弥补的，但往往抗干扰能力强的就贵些，抗干扰能力差的就便宜，正如***的东东便宜但性能却大打折扣一样！主要看各位的应用场合了！