單片機系統(tǒng)的電磁兼容性設計

引 言

隨著單片機系統(tǒng)越來越廣泛地應用于消費類電子、醫(yī)療、工業(yè)自動化、智能化儀器儀表、航空航天等各領域，單片機系統(tǒng)面臨著電磁干擾（EMI）日益嚴重的威脅。電磁兼容性（EMC）包含系統(tǒng)的發(fā)射和敏感度兩方面的問題。如果一個單片機系統(tǒng)符合下面三個條件，則該系統(tǒng)是電磁兼容的：
?、?對其它系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾；
　?、?對其它系統(tǒng)的發(fā)射不敏感；
　　③ 對系統(tǒng)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）。電磁干擾的產(chǎn)生是通過導體和通過輻射，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、互連電纜、金屬電纜和子系統(tǒng)的內(nèi)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(tǒng)中，時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(tǒng)中應該把它們?nèi)サ?。另外，在單片機系統(tǒng)中，最容易受影響的是復位線、中斷線和控制線。

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)過導體。一條穿過噪聲環(huán)境的導線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電源線進入電路。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(jīng)一個公共阻抗時就會產(chǎn)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(jīng)共地阻抗。電路1的地電位被地電流2調(diào)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)輻射的耦合通稱串擾。串擾發(fā)生在電流流經(jīng)導體時產(chǎn)生電磁場，而電磁場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抬高到系統(tǒng)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(shù)

① 電壓。電源電壓越高，意味著電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。

② 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(tǒng)中，當器件開關時產(chǎn)生電流尖峰信號；在模擬系統(tǒng)中，當負載電流變化時產(chǎn)生電流尖峰信號。

③ 接地。在所有EMC問題中，主要問題是不適當?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號接地方法：單點、多點和混合。在頻率低于1 MHz時，可采用單點接地方法，但不適于高頻；在高頻應用中，最好采用多點接地?；旌辖拥厥堑皖l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(shù)字電路和低電平模擬電路的地回路絕對不能混合。

④ PCB設計。適當?shù)挠∷㈦娐钒澹≒CB）布線對防止EMI是至關重要的。

⑤ 電源去耦。當器件開關時，在電源線上會產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導致地和線跡“發(fā)射”電壓，高di/dt 產(chǎn)生大范圍高頻電流，激勵部件和線纜輻射。流經(jīng)導線的電流變化和電感會導致壓降，減小電感或電流隨時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(tǒng)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。隨著電子技術的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高。PCB設計的好壞對單片機系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實踐證明，即使電路原理圖設計正確，印刷電路板設計不當，也會對單片機系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，如果印刷板兩條細平行線靠得很近，則會形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設計印刷電路板的時候，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，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元器件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。

在確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(shù)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。

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(diào)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，且應考慮散熱問題。熱敏元件應遠離發(fā)熱元件。

④ 對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關等可調(diào)元件的布局，應考慮整機的結構要求。若是機內(nèi)調(diào)節(jié)，應放在印刷板上方便調(diào)節(jié)的地方；若是機外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機箱面板上的位置相適應。

⑤ 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(jù)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，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

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(shù)。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，易于批量生產(chǎn)。

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

（3）布線

布線的原則如下：

① 輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行，最好加線間地線，以免發(fā)生反饋耦合。

② 印刷板導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.5 mm、寬度為1～15 mm時，通過2 A的電流，溫升不會高于3℃。因此，導線寬度為1.5 mm可滿足要求。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，通常選0.02～0.3 mm導線寬度。當然，只要允許，還是盡可能用寬線，尤其是電源線和地線。導線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數(shù)字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1～0.2 mm。

③ 印刷導線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長時間受熱時，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現(xiàn)象。必須用大面積銅箔時，最好用柵格狀，這樣有利于排除銅箔與基板間粘合劑受熱產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體。