PCB设计中屏蔽干扰的方法以及PCB电路中的电磁兼容设计


时间：2019-10-25

     PCB设计中屏蔽干扰的方法以及PCB电路中的电磁兼容设计

     PCB设计中屏蔽干扰的方法有哪些 

     高速PCB设计布线系统的传输速率在稳步加快的同时也带来了某种防干扰的脆弱性，这是因为传输信息的频率越高，信号的敏感性增加，同时它们的能量越来越弱，此时的布线系统就越容易受干扰。干扰无处不在，电缆及设备会对其他元件产生干扰或被其他干扰源严重干扰，例如：计算机屏幕、移动电话、电动机、无线电转播设备、数据传输及动力电缆等。此外，潜在的窃听者、网络犯罪及黑客不断增加，因为他们对UTP电缆信息传输的拦截会造成巨大的损害及损失。

     尤其在使用高速数据网络时，拦截大量信息所需要的时间显著低于拦截低速数据传输所需要的时间。数据双绞线中的绞合线对在低频下可以靠自身的绞合来抵抗外来干扰及线对之间的串音，但在高频情况下（尤其在频率超过250MHz以上时），仅靠线对绞合已无法达到抗干扰的目的，只有屏蔽才能够抵抗外界干扰。

     电缆屏蔽层的作用就像一个法拉第护罩，干扰信号会进入到屏蔽层里，但却进入不到导体中。因此，数据传输可以无故障运行。由于屏蔽电缆比非屏蔽电缆具有较低的辐射散发，因而防止了网络传输被拦截。屏蔽网络（屏蔽的电缆及元器件）能够显著减小进入到周围环境中而可能被拦截的电磁能辐射等级。

     不同干扰场的屏蔽选择干扰场主要有电磁干扰及射频干扰两种。电磁干扰（EMI）主要是低频干扰，马达、荧光灯以及电源线是通常的电磁干扰源。射频干扰（RFI）是指无线频率干扰，主要是高频干扰。无线电、电视转播、雷达及其他无线通讯是通常的射频干扰源。对于抵抗电磁干扰，选择编织屏蔽最为有效，因其具有较低的临界电阻；对于射频干扰，箔层屏蔽最有效，因编织屏蔽依赖于波长的变化，它所产生的缝隙使得高频信号可自由进出导体；而对于高低频混合的干扰场，则要采用具有宽带覆盖功能的箔层加编织网的组合屏蔽方式。通常，网状屏蔽覆盖率越高，屏蔽效果就越好。

     PCB电路中的电磁兼容设计

     接地设计：

     一旦发生了静电放电，应该让其尽快旁路人地，不要直接侵入内部电路。例如内部电路如用金属机箱屏蔽，则机箱应良好接地，接地电阻要尽量小，这样放电电流可以由机箱外层流入大地，同时也可以将对周围物体放电时形成的骚扰导入大地，不会影响内部电路。对金属机箱，通常机箱内的电路会通过I/O电缆、电源线等接地，当机箱上发生静电放电时，机箱的电位上升，而内部电路由于接地，电位保持在地电位附近。这时，机箱与电路之间存在着很大的电位差。这会在机箱与电路之间引起二次电弧。使电路造成损坏。通过增加电路与外壳之间的距离可以避免二次电弧的发生。当电路与外壳之间的距离不能增加时，可以在外壳与电路之间加一层接地的金属挡板，挡住电弧。如果电路与机箱连在一起，则只应通过一点连接。防止电流流过电路。线路板与机箱连接的点应在电缆入口处。对塑料机箱，则不存在机箱接地的问题。

     电缆设计：

     一个正确设计的电缆保护系统可能是提高系统ESD非易感性的关键。作为大多数系统中的最大的“天线”— I/O电缆特别易于被ESD干扰感应出大的电压或电流。从另一方面，电缆也对ESD干扰提供低阻抗通道，如果电缆屏蔽同机壳地连接的话。通过该通道ESD干扰能量可从系统接地回路中释放，因而可间接地避免传导耦合。为减少ESD干扰辐射耦合到电缆，线长和回路面积要减小，应抑制共模耦合并且使用金属屏蔽。对于输入/输出电缆可采用使用屏蔽电缆、共模扼流圈、过压箝位电路及电缆旁路滤波器措施。在电缆的两端，电缆屏蔽必须与壳体屏蔽连接。在互联电缆上安装一个共模扼流圈可以使静电放电造成的共模电压降在扼流圈上，而不是另一端的电路上。两个机箱之间用屏蔽电缆连接时，通过电缆的屏蔽层将两个机箱连接在一起，这样可以使两个机箱之间的电位差尽量小。这里，机箱与电缆屏蔽层之间的搭接方式很重要。强烈建议在电缆两端的机箱与电缆屏蔽层之间360°搭接。

     键盘和面板：

     键盘和控制面板的设计必须保证放电电流能够直接流到地，而不会经过敏感电路。对于绝缘键盘，在键与电路之间要安装一个放电防护器（如金属支架），为放电电流提供一条放电路径。放电防护器要直接连接到机箱或机架上，而不能连接到电路地上。当然，用较大的旋钮（增加操作者到内部线路的距离）能够直接防止静电放电。键盘和控制面板的设计应能使放电电流不经过敏感电路而直接到地。采用绝缘轴和大旋钮可以防止向控制键或电位器放电。现在，较多的电子产品面板采用薄膜按键和薄膜显示窗，由于该薄膜由耐高压的绝缘材料构成，可有效防止ESD通过按键和显示窗进入内部电路形成干扰。另外，现在大多数键盘的按键内部均有由耐高压的绝缘薄膜构成的衬垫，可有效防止ESD的干扰。

     电路设计：

     设备中不用的输入端不允许处于不连接或悬浮状态，而应当直接或通过适当电阻与地线或电源端相连通。一般来说，与外部设备连接的接口电路都需要加保护电路，其中也包括电源线，这一点往往被硬件设计所忽视。以微机为例来讲，应该考虑安排保护电路的环节有：串行通信接口、并行通信接口、键盘接口、显示接口等。

     滤波器（分流电容或一系列电感或两者的结合）必须用在电路中以阻止EMI耦合到设备。如果输入为高阻抗，一个分流电容滤波器最有效，因为它的低阻抗将有效地旁路高的输入阻抗，分流电容越接近输入端越好。如果输入阻抗低，使用一系列铁氧体可以提供最好的滤波器，这些铁氧体也应尽可能接近输入端。

     在内部电路上加强防护措施。对于可能遭受直接传导的静电放电干扰的端口，可以在I/O接口处串接电阻或并联二极管至正负电源端。MOS管的输入端串接100kΩ电阻，输出端串接1kΩ电阻，以限制放电电流量。TTL管输入端串接22～100Ω电阻，输出端串接22～47Ω电阻。模拟管输入端串接100Ω～100kΩ，并且加并联二极管，分流放电电流至电源正或负极，模拟管输出端串接100Ω的电阻。在I/O信号线上安装一个对地的电容能够将接口电缆上感应的静电放电电流分流到机箱，避免流到电路上。但这个电容也会将机壳上的电流分流到信号线上。为了避免这种情况的发生，可以在旁路电容与线路板之间安装一只铁氧体磁珠，增加流向线路板的路径的阻抗。需要注意的是，电容的耐压一定要满足要求。静电放电的电压可以高达数千伏。用一个瞬态防护二极管也能够对静电放电起到有效的保护，但需要注意，用二极管虽然将瞬态干扰的电压限制住了，但高频干扰成分并没有减少，该电路中一般应有与瞬态防护二极管并联的高频旁路电容抑制高频干扰。在电路设计及电路板布线方面，应采用门电路和选通脉冲。这种输入方式只有在静电放电和选通同时发生时才能造成损坏。而脉冲边沿触发输入方式对静电放电引起的瞬变很敏感，不宜采用。

     PCB设计：

     良好的PCB设计可以有效地减少ESD干扰对产品造成的影响，这也是电磁兼容设计中ESD设计部分的一个重要的内容，大家可以从那部分课程中得到详细的指引。对一个成品进行电磁兼容对策时，很难再对PCB进行重新设计（改进成本太高），此处不再加以介绍。

     软件：

     除了硬件措施外，软件抑制方案也是减少系统锁定等严重失常的有力方法。软件ESD抑制措施分为两种常用的类别：刷新、检查并且恢复。刷新涉及到周期性地复位到休止状态，并且刷新显示器和指示器状态。只需进行一次刷新然后假设状态是正确的，其它的事就不用做了。检查/恢复过程用于决定程序是否正确执行，它们在一定间隔时间被激活，以确认程序是否在完成某个功能。如果这些功能没有实现，一个恢复程序被激活。

     一般ESD对策准则：

     （1）在易感CMOS、MOS器件中加入保护二极管；

     （2）在易感传输线上（地线在内）串几十欧姆的电阻或铁氧体磁珠；

     （3）使用静电保护表面涂敷技术，使ESD难以机芯放电，经证明十分有效；

     （4）尽量使用屏蔽电缆；

     （5）在易感接口处安装滤波器；并将无法安装滤波器的敏感接口加以隔离；

     （6）选择低脉冲频率的逻辑电路；

     （7）外壳屏蔽加良好的接地。