單片機系統的電磁兼容性設計的幾大誤區

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：
① 對其它系統不產(chǎn)生干擾;
② 對其它系統的發(fā)射不敏感;
③ 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*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*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，*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*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。*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*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
① 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。
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。
③ 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，*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優(yōu)良不能混合。
④ 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。
⑤ 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*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*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。*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：
① 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。
② 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。
③ 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。
④ 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。
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：
① 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。
② 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。
③ 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)。
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*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&TImes;150 mm時(shí)，應考慮電路板所受的機械強度。
（3） 布線(xiàn)
布線(xiàn)的原則如下：
① 輸入輸出端用的導線(xiàn)應盡量避免相鄰平行，*好加線(xiàn)間地線(xiàn)，以免發(fā)生反饋耦合。
② 印刷板導線(xiàn)的*小寬度主要由導線(xiàn)與絕緣基板間的粘附強度和流過(guò)它們的電流值決定。當銅箔厚度為0.5 mm、寬度為1～15 mm時(shí)，通過(guò)2 A的電流，溫升不會(huì )高于3℃。因此，導線(xiàn)寬度為1.5 mm可滿(mǎn)足要求。對于集成電路，尤其是數字電路，通常選0.02～0.3 mm導線(xiàn)寬度。當然，只要允許，還是盡可能用寬線(xiàn)，尤其是電源線(xiàn)和地線(xiàn)。導線(xiàn)的*小間距主要由*壞情況下的線(xiàn)間絕緣電阻和擊穿電壓決定。對于集成電路，尤其是數字電路，只要工藝允許，可使間距小于0.1～0.2 mm。
③ 印刷導線(xiàn)拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會(huì )影響電氣性能。此外，盡量避免使用大面積銅箔，否則，長(cháng)時(shí)間受熱時(shí)，易發(fā)生銅箔膨脹和脫落現象。必須用大面積銅箔時(shí)，*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。
（4） 焊盤(pán)
焊盤(pán)中心孔要比器件引線(xiàn)直徑稍大一些。焊盤(pán)太大易形成虛焊。焊盤(pán)外徑D一般不小于（d+1.2） mm，其中d為引線(xiàn)孔徑。對高密度的數字電路，焊盤(pán)*小直徑可?。╠+1.0） mm。
3.2 PCB及電路抗干擾措施
印刷電路板的抗干擾設計與具體電路有著(zhù)密切的關(guān)系，這里僅就PCB抗干擾設計的幾項常用措施作一些說(shuō)明。
（1） 電源線(xiàn)設計
根據印刷線(xiàn)路板電流的大小，盡量加粗電源線(xiàn)寬度，減少環(huán)路電阻;同時(shí)，使電源線(xiàn)、地線(xiàn)的走向和數據傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。kx6電子技術(shù)吧
（2） 地線(xiàn)設計
在單片機系統設計中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來(lái)使用，可解決大部分干擾問(wèn)題。單片機系統中地線(xiàn)結構大致有系統地、機殼地（屏蔽地）、數字地（邏輯地）和模擬地等。在地線(xiàn)設計中應注意以下幾點(diǎn)：
① 正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地。在低頻電路中，信號的工作頻率小于1 MHz，它的布線(xiàn)和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對干擾影響較大，因而應采用一點(diǎn)接地的方式。當信號工作頻率大于10 MHz時(shí)，地線(xiàn)阻抗變得很大，此時(shí)應盡量降低地線(xiàn)阻抗，應采用就近多點(diǎn)接地。當工作頻率在1～10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線(xiàn)長(cháng)度不應超過(guò)波長(cháng)的 1/20，否則應采用多點(diǎn)接地法。
② 數字地與模擬地分開(kāi)。電路板上既有高速邏輯電路，又有線(xiàn)性電路，應使它們盡量分開(kāi)，而兩者的地線(xiàn)不要相混，分別與電源端地線(xiàn)相連。低頻電路的地應盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地，實(shí)際布線(xiàn)有困難時(shí)可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地;高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地，地線(xiàn)應短而粗。高頻元件周?chē)M量
用柵格狀大面積地箔，要盡量加大線(xiàn)性電路的接地面積。
③ 接地線(xiàn)應盡量加粗。若接地線(xiàn)用很細的線(xiàn)條，則接地電位會(huì )隨電流的變化而變化，致使電子產(chǎn)品的定時(shí)信號電平不穩，抗噪聲性能降低。因此應將接地線(xiàn)盡量加粗，使它能通過(guò)三倍于印刷電路板的允許電流。如有可能，接地線(xiàn)的寬度應大于3 mm。
④ 接地線(xiàn)構成閉環(huán)路。設計只由數字電路組成的印刷電路板的地線(xiàn)系統時(shí)，將接地線(xiàn)做成閉路可以明顯地提高抗噪聲能力。其原因在于：印刷電路板上有很多集成電路元件，尤其遇有耗電多的元件時(shí)，因受接地線(xiàn)粗細的限制，會(huì )在地線(xiàn)上產(chǎn)生較大的電位差，引起抗噪能力下降;若將接地線(xiàn)構成環(huán)路，則會(huì )縮小電位差值，提高電子設備的抗噪聲能力。
（3） 退耦電容配置
PCB設計的常規做法之一，是在印刷板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置適當的退耦電容。退耦電容的一般配置原則是：
① 電源輸入端跨接10～100μF的電解電容器。如有可能，接100μF以上的更好。
② 原則上每個(gè)集成電路芯片都應布置一個(gè)0.01 pF的瓷片電容。如遇印刷板空隙不夠，可每4～8個(gè)芯片布置一個(gè)1～10 pF的鉭電容。
③ 對于抗噪能力弱、關(guān)斷時(shí)電源變化大的器件，如RAM、ROM存儲器件，應在芯片的電源線(xiàn)和地線(xiàn)之間直接接入退耦電容。
④ 電容引線(xiàn)不能太長(cháng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線(xiàn)。
此外，還應注意以下兩點(diǎn)：
① 在印刷板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時(shí)，操作它們時(shí)均會(huì )產(chǎn)生較大火花放電，必須采用RC電路來(lái)吸收放電電流。一般R取1～2 kΩ，C取2.2～47μF。
② CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應，因此在使用時(shí)，對不用端要接地或接正電源。
（4） 振蕩器
幾乎所有的單片機都有一個(gè)耦合于外部晶體或陶瓷諧振器的振蕩器電路。在PCB上，要求外接電容、晶體或陶瓷諧振器的引線(xiàn)越短越好。RC振蕩器對干擾信號有潛在的敏感性，它能產(chǎn)生很短的時(shí)鐘周期，因而*好選晶體或陶瓷諧振器。另外，石英晶體的外殼要接地。
（5） 防雷擊措施
室外使用的單片機系統或從室外架空引入室內的電源線(xiàn)、信號線(xiàn)，要考慮系統的防雷擊問(wèn)題。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS（Transient Voltage Suppression）等。氣體放電管是當電源電壓大于某一數值時(shí)，通常為數十V或數百V，氣體擊穿放電，將電源線(xiàn)上強沖擊脈沖導入大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當兩端電壓高于某一值時(shí)導通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過(guò)數百乃至上千A的電流。
結語(yǔ)
為了提高單片機系統的電磁兼容性，不僅要合理設計PCB板，而且要在電路結構上及軟件中采取相應的措施。實(shí)踐表明，在單片機系統的設計、制造、安裝和運行的各個(gè)階段，都需要考慮其電磁兼容性，只有這樣，才能保證系統長(cháng)期穩定、可靠、**地運行。