PCB板设计原则和抗干扰措施

何信民 唐晴晴

摘要：介绍了作者在印刷电路板制作过程中的体会，并总结了印刷电路板设计的一般原则和抗干扰措施。

关键词：印刷电路板;PCB;布局;干扰

一般而言，使用以上的基本抗干扰措施，可消除印制板90%左右的常见干扰。由于硬件的可靠性是设备的复杂性函数，要消除一些特殊的、小概率的干扰，就要采用特殊的、更复杂的硬件抗干扰电路。但过多地采用硬件抗干扰措施，会明显提高产品的常规成本，且硬件数量的增加，还会产生新的干扰，导致系统的可靠性下降。所以应根据设计条件和目标要求，合理采用一些硬件抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力。

1、PCB设计的一般原则

要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的PCB板，应遵循以下一般原则：

1.1布局：

首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加;过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。

在确定PCB尺寸后.再确定特殊元件的位置。对于特殊元件的位置要遵守以下原则：

（1）尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。

（3）重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印制板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。

（4）对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。

（5）应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置。根据电路的功能单元。

1.2布线

布线的原则如下：

（1）输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加线接地线，以免发生反馈耦合。

（2）印制摄导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的电流值决定。当铜箔厚度为0.05mm、宽度为1～15mm时，通过2A的电流，温度不会高于3℃，因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。

（3）印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。

1.3焊盘

焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。

焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（d+1.0）mm。

2、PCB板电路抗电磁干扰及措施

2.1下面的这些系统要特别注意电磁干扰：

（1）微控制器的时钟频率特别高，总线周期特别快的系统;

（2）系统含有大功率，大电流驱动电路，如产生大火花的继电器，大电流开关等;

（3）含微弱模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。

2.2为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施：

（1）选用频率低的微控制器

选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力，同样频率的方波和正弦波，方波中的高频成份比正弦波多得多。虽然方波的高频成份的波的幅度比基波小，但频率越高越容易发射出去成为噪声源，微控制器产生的最有影响的高频噪声的频率大约是其时钟频率的3倍。

（2）减小信号传输中的畸变

微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在1A左右，输入电容10P左右，输入阻抗相当高，高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力，及相当大的输出值，将一个门的输出端通过一段很长的线引到输入阻抗相当高的输入端，发射问题就很严重，它会引起信号畸变。增加系统噪声。

（3）减少信号线间的交叉干扰

CMOS工艺制造的微控制由阻抗高，噪声高，噪声容限也很高，数字电路是迭加100～200mv噪声并不影响其工作。但是，对于模拟信号来说，这种干扰就变为不能容忍。

2.3PCB板的设计

制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就PCB抗电磁干扰设计的几项常用措施做一些说明。地线设计的原则是：

（1）数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用單点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。

（2）接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。

（3）接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。

（4）大面积接地。工作在高频时，为了减少噪声干扰，应要求PCB板要大面积接地。

3、数字信号和模拟信号的接地

但在设计PCB板时，到底哪些部分属于数字区域，哪些部分属于模拟信号区域，我们无法将其严格进行区分，比如在电路中，电源部分是共用的，在设计PCB时它应该归属于哪一部分？在PCB设计中，常用的抗干扰方法就是将数字电路和模拟电路区分开来，画在不同的区域。但像上面所说的并不能严格区分的部分又该怎么来设计？在设计电路时如何区分是模拟信号还是数字信号关键在于与该信号相关的芯片是数字还是模拟的，电源部分给模拟电路供电，将其归属于模拟部分，给数字类芯片供电，即将其归属于数字部分，而当两部分混合共用同一个电源时就需要用“桥”的方法将电源从另一部分引过来。上面这种抗干扰系统是目前较为常用的一种方法，但是此种方法在一些小的系统或者小的电路板中适用，在大的电路系统中该方法就有很多的潜在问题，尤其是在复杂的系统中更为突出，在跨越分布间隙布线时，EMI问题随之而来。比如一个典型的A/D转换器在使用的时候，制造厂商会建议将A/D转换器的AGND和DGND使用最短的导线连接起来，连到一个低阻抗的地上。这样可以使用上面的方法在A/D转换器下面，在两个地之间用与IC等宽度的连接桥连接（注意：任何信号线都不能跨越分割间隙）。但是如果系统中有较多的A/D转换器，每一个都是按照上面的方式来接连，则会产生多点连接，将数字地和模拟地隔离将毫无意义，此时应使用统一地，将统一地人为的分开为数字地和模拟地两部分，这样就既可以满足厂家的要求又可以最大限度的减少EMI问题。

4、高频信号抗干扰分析

在设计高频信号的PCB电路板时一定要注意，任何金属或者导线都可以看作成为由电阻、电感、电容组成的器件，电路板中25mm长的印制导线可以产生15-20nH的电感。因此在PCB设计中的接地时要尽量采用多点接地策略，让每一个电路系统就近接入最低阻抗的接地线上，使接地线最短，尽可能的减少接地阻抗及减少地线之间的电感和分布电容造成的电路之间的互相偶合。在设计PCB时多点接地最简单的方法就是全部覆铜，将元件的接地点就近的连接到覆铜上，占了PCB面积绝大多半的接地平面就提供了一个具有极低接地阻抗的“参考地面”，各个元件和单元电路之间互相就杜绝了不需要的高频偶合。高频电路板中的数字地和模拟地要单独处理。高频数字信号的地线的地电位一般是不一致的，两者这间常常存在一定的电压差，而且高频数字信号的地线还常常带有非常丰富的高频信号的谐波分量，当直接连接数字信号地线和模拟信号地线时，高频信号的谐波就会通过地线耦合的方式对模拟信号进行干扰。通常情况下，对高频数字信号的地线和模拟信号的地线是要做隔离的，采用在合适位置单点互联的方式，或者采用高频扼流磁珠互联的方式。

5、总结

PCB设计及制作技术的发展直接带动着大规模集成电路产业的发展，而集成电路在各行业领域的应用也日趋宽泛，因此PCB设计中的噪声抑制问题也变得越来越重要，特别是在军工、航空航天等对产品要求极为严苛的领域，PCB板上的噪声问题如果没有得到妥善解决可能会带来严重的后果。

参考文献：

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