單片機系統的電磁兼容性設計

　　隨著(zhù)單片機系統越來(lái)越廣泛地應用于消費類(lèi)電子、醫療、工業(yè)自動(dòng)化、智能化儀器儀表、航空航天等各領(lǐng)域，單片機系統面臨著(zhù)電磁干擾(EMI)日益嚴重的威脅。電磁兼容性(EMC)包含系統的發(fā)射和敏感度兩方面的問(wèn)題。如果一個(gè)單片機系統符合下面三個(gè)條件，則該系統是電磁兼容的：

　?、?對其它系統不產(chǎn)生干擾;

　?、?對其它系統的發(fā)射不敏感;

　?、?對系統本身不產(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)導體、公共阻抗耦合等)，就是間接的(通過(guò)串擾或輻射耦合)。電磁干擾的產(chǎn)生是通過(guò)導體和通過(guò)輻射，很多電磁發(fā)射源，如光照、繼電器、DC電機和日光燈都可引起干擾;AC電源線(xiàn)、互連電纜、金屬電纜和子系統的內部電路也都可能產(chǎn)生輻射或接收到不希望的信號。在高速單片機系統中，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，最容易受影響的是復位線(xiàn)、中斷線(xiàn)和控制線(xiàn)。

　　1 干擾的耦合方式

　　(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(jīng)過(guò)導體。一條穿過(guò)噪聲環(huán)境的導線(xiàn)可撿拾噪聲并把噪聲送到其它電路引起干擾。設計人員必須避免導線(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)入電路之前必須對其去耦。

　　(2)公共阻抗耦合

　　當來(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調制，噪聲信號或DC補償經(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)串擾。串擾發(fā)生在電流流經(jīng)導體時(shí)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，而電磁場(chǎng)在鄰近的導體中感應瞬態(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地電位之上。就電場(chǎng)大小而言，CM輻射是比DM輻射更為嚴重的問(wèn)題。為使CM輻射最小，必須用切合實(shí)際的設計使共模電流降到零。

　　2 影響EMC的因數

　?、?電壓。電源電壓越高，意味著(zhù)電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。

　?、?頻率。高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機系統中，當器件開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號;在模擬系統中，當負載電流變化時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號。

　?、?接地。在所有EMC問(wèn)題中，主要問(wèn)題是不適當的接地引起的。有三種信號接地方法：?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，高頻數字電路和低電平模擬電路的地回路絕對不能混合。

　?、?PCB設計。適當的印刷電路板(PCB)布線(xiàn)對防止EMI是至關(guān)重要的。

　?、?電源去耦。當器件開(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，激勵部件和線(xiàn)纜輻射。流經(jīng)導線(xiàn)的電流變化和電感會(huì )導致壓降，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。隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來(lái)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(shí)踐證明，即使電路原理圖設計正確，印刷電路板設計不當，也會(huì )對單片機系統的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印刷板兩條細平行線(xiàn)靠得很近，則會(huì )形成信號波形的延遲，在傳輸線(xiàn)的終端形成反射噪聲。因此，在設計印刷電路板的時(shí)候，應注意采用正確的方法，遵守PCB設計的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。

　　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(xiàn)的布設是很重要的。為了設計質(zhì)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?。篜CB尺寸過(guò)大時(shí)，印刷線(xiàn)條長(cháng)，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，根據電路的功能單元，對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：

　?、?盡可能縮短高頻元器件之間的連線(xiàn)，設法減少它們的分布參數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，輸入和輸出元件應盡量遠離。

　?、?某些元器件或導線(xiàn)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(shí)手不易觸及的地方。

　?、?重量超過(guò)15 g的元器件，應當用支架加以固定，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，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問(wèn)題。熱敏元件應遠離發(fā)熱元件。

　?、?對于電位器、可調電感線(xiàn)圈、可變電容器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等可調元件的布局，應考慮整機的結構要求。若是機內調節，應放在印刷板上方便調節的地方;若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。

　?、?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

　　根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：

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

　?、?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。

　?、?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(guān)，而且裝焊容易，易于批量生產(chǎn)。

　?、?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(cháng)寬比為3:2或4:3。電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時(shí)，應考慮電路板所受的機械強度。