PCB设计中的电路板抗干扰措施研究

程春林

威腾电气集团股份有限公司    江苏南京 210000

摘要：在PROTEL的PCB产品设计中，一旦电路布置不当，或许会导致各类干涉，从而使得原本合理的设计方案根本无法实施，或者降低整机特性技术指标，甚至于在干涉重大时，集成电路板将根本无法正常工作。因此，要对抗干扰措施进行分析和研究，并且保证措施的针对性和有效性，进而为更好地满足设计要求提供一定支持。

关键词：PCB设计；电路板；抗干扰

PCB是电子设备中不可或缺的一部分，它为集成电路单元和设备实现了有效的连接。并且随着电子技术的进步，PCB的密度也在不断提高。PCB的设计对于抵抗外界干扰有着至关重要的作用。因此，在PCB设计过程中，除了遵守一般的设计准则外，还必须特别注意抗干扰性能的要求。要通过提出完善的抗干扰措施，提升电路板的运行有效性，为设备的稳定运行奠定良好基础。

一、PCB设计中对于电路板抗干扰的要求和原则

随着计算机应用软件的不断改进，印制电路板的应用已经成为整机产品开发的重要组成部分，它不但可以提高生产的可信度和安全，而且还能够极大地提升设计水平，从而为产品的开发创造了更多的可能性。所以，在进行印刷板图时，为了确保系统中的元电子器件能够准确连接外，还应该充分考虑印制板的抗干扰能力性。为了确保电磁兼容性，抗干扰能力设计工作应该包含3个内容：首先，抑制噪声源；其次，截断噪声传递路径；最后，降低受影响电气设备的噪声敏感性[1]。从设计阶段出发，印刷板噪声抑制就应该贯彻于电路原理图工程设计、印制板图设绘、元器件选择、印刷板装配引线等每一个阶段，每一步都应该认真负责，以确保噪声抑制的有效性。

二、PCB设计中的电路板抗干扰措施

（一）辐射噪声控制

当印制电路板运行时，它会向外放射噪音，这些噪音源包括：信号线通过连接电路传递到机壳，产生谐振，从而产生强大的噪音；信号电缆也会将噪音传播到外部；印制电路板本身也会直接向外放射噪音。为了减小噪声辐射，应采取以下措施：一，谨慎选择元器件，对已经老化的元件进行准确筛选和清理，并且尽量选择具备较小反馈作用的元件。比较推荐的是CMOS低速晶片；针对高频集成电路，要对LSI进行合理选择，避免集成电路辐射过大引发噪声。同时，在对逻辑器件进行选择时，要对噪声声容指标进行充分考量，如果只是为了满足电路的噪声要求，最佳选择是HTL；而如果要兼顾功耗，则Vpp-15V的COMS更为合适。二，印制电路板想要获得较好的遮蔽效果，中层一般是地线或者是电源线，并且将其封闭在板内，两面采用绝缘进行隔离后，上下层之间的开关电压互相影响问题就能够得到解决。并且，这种方式能够构成导电区域，且处于内层结构中，引线面之间的静止电容比较高，从而构成阻抗极低的电力线路。三，为了更好地防止集成电路板传播和接受噪声，“满接地”印制电路板应尽可能加粗连接导线，并将集成电路板上未被占据的全部面积都用作连接线，以便电子器件更多地接近地面，高效减少寄生电感，能够高效减少噪声传播。四，“多层”印制板可以通过一个铝片或铁片，附着在其背部或夹置在两块铝片或铁片中间来实现连接。在设计时，应尽可能将接地板紧靠印制板，并确保它与系统信号地（SG）的良好接地点相连，这样可以使印制板更加简单易操作。为了获得更佳的抑制效果，可以将印制板安装在完全隔离的金属盒中，以免产生和反应噪音。

（二）合理敷设导线

布线是印制电路板设计中至关重要的一步，它不仅要考虑到许多因素，还要确保印刷板的性能达到最佳状态。因此，在布线时，必须注意线路的布置，以及其他线路之间的串扰，以确保印制板的抗干扰能力。为了提高抗干扰性，布线应遵守以下规定：一，在符合布线条件的情况下，择优考虑使用单控制面板，然后是双控制面板和多层板。在确定布线密度时，应综合充分考虑内部结构和电性能条件，力求布线简洁、匀称；线路最小宽度和间隔通常不应低于0.2mm，如果布线密度容许，可以适当将线路和间隔进行加宽，满足抗干扰要求。二，为了确保电路的安全性和可靠性，大多数信息线应尽可能地集中于板中心，或者用地线环绕它，以减少环路面积。同时，要尽量保证平行、长距离的布线情况出现，且电气互联点位置上，要尽量选择较短的方式进行布线[2]。对于信息（尤其是高顿信号）引线拐角，可以将其设计为135°的方向或者圆形、圆弧度，而不是90°或更小夹角的形式。三，为了减少寄生耦合，同一布线面电缆应采用垂直、斜交或扭曲地走线方式。对于高频信息电缆，应尽量避免平交，以免产生信息传递或串扰，或者在两根平交线之间增加一根地线。四，应尽量地减少进口引线，增加进口端的阻抗，对于和外部链接的信号线，要进行妥善布置。为了避免模拟信号和数字量之间的干扰，最好将它们的地线隔离开来。此外，还应该妥善处理逻辑器件的多余输入端，以确保系统的稳定性和可靠性。将多余的输出连接到“1”或Vss，以确保不会悬空。对于寄存器或者计数器等空闲置位、复位端，也需要与Vc连接在一起，而触发器的多余输出应该连接。五，为了保证印制板更加可靠，要使用国际标准元器件进行设计，焊盘孔距、元件管脚要维持一致性，降低寄生电感、阴线阻抗。

（三）降低电路阻抗

对于PCB设计来说，需要对供电线、地线的电阻进行充分考量，采用一定保护措施来防止公共电阻、反射、串联等造成畸变或者震荡出现。具体包括：一，如果电路板上存在大量的集成器件，电压、电位容易震荡，进而引发集成电路出现错误动作。在这种情况下，当电流通过线路时，会产生压力降，导致开关电源尖峰噪音。这种噪声主要是由线路电感引发的。在实际工程设计中，应尽量避免这种电感对线路的干扰。二，为了减少开关输出的循环路径，可以在各集合电路的电源和地线中间单独接通旁路电容。此外，可以将供电线和地线设置成格子形式，而不用梳子形式。当印刷电路板上装有许多综合回路，且有些器件耗电，地线存在较大电位差，造成共同电压影响时，采用格子状设计可以明显缩小电缆回路，减小电缆电阻，减小影响。该种环形无电位差，比其他形式具有更高的噪声容限。三，尽可能压缩引线，将各集成回路的GND以最短时间连接到回路板进口的线，以减小印制布线发生的尖峰脉动。四，将地线、供电线朝向与数据传输位置设绘成一致性，以确保回路板的稳定性和可靠性，提高回路板的噪声抵抗能力。五，当应用大规模高速逻辑集成电路时，为了减小连接电位差，减小供电线阻抗和信息线间串扰，应尽量避免选用多层次印制电路板[3]。而当无法选用多层次板时，要对地线进行加宽处理，确保能够实现原本三倍以上的电流速。或者也可以采用小型母线的模式，将地线、供电线依次分布在印刷版两侧边缘位置上，确保可以实现最佳的效果。六，如果印制板存在多个接触片，需要在插头位置上接入电容器，起到母线去耦的作用，并且在去耦电容旁链接高频电容器。

（四）正确选择器件

正确使用抗干扰器件，也是有效控制干扰问题的一个重要途径。按照不同器件的作用等，可以在设计中采取以下几种措施：一，为了确保印刷板的电磁兼容性，应依据噪声的各种特性，采用合适的抗扰电子器件，如二极管、压敏电阻等，以高效吸附浪涌压力；屏蔽变压器系统可以高效地隔离电源噪声；线路过滤可以高效地滤除一定频段的扰动信息。二，可以通过组合电阻器、电器皿、电感器等部件，将扰动压力或流量旁路、吸附、屏蔽、滤除、去耦等。三，一旦抗扰电子器件的使用不当，不仅无法高效地避免扰动，反而可能会成为新的干扰源。因此，正确选择和安置电器皿至关重要，铝电解电容器具有良好的低频功效，应该安置在开关电源进口处；陶瓷电容器则具有较高的高顿功效，应该安置在各集合回路的周围。四，在装设电容器时，应尽可能缩减引线，但不要仅仅因为短而忽略安装位置，应将其装设在Vcc和GND管脚周围，以确保电容器的旁路功能得到充分发挥。五，如果板上信号引线阻抗不符，会产生许多反射噪声。因此，在接线终点和始端应接上阻抗匹配电阻，以抵消这种影响。当线路长度增加时，电感会造成振荡减弱。由于串入阻尼电阻，可以控制振荡，提高抗干扰能力，改进波形。

（五）强化器件板规划

不合理的规划会导致集成电路内部结构的不稳定，因此应该综合考量，合理安排印刷板上的元件。一，应依据电子器件的设计需求决定印制板的大小和外形，较大的尺度会使印制导线变长，增大阻机，而过小的尺度则会影响散热功能，并且容易引发相邻线路和电子器件之间的反应。二，在印刷板上安装元电子器件时，应尽量将进入出口部门依次放置在板的两端。同时，应尽量使相互关联的元件保持距离，以减少它们相互之间的连接距离。对于运行时间相近或运行电平差别较大的元件，应尽量保持距离，以免发生干扰。三，在设计小型开发系统电路时，应尽量避免使用易引起噪音的元件，如时钟发生器和振荡器，并将它们尽可能接近相关的逻辑电路单元[4]。四，为了保证电路板的散热性能，建议将ROM、RAM、功率输出器件和电源等易发热器件，在边缘处、偏上方安装完成，将集成电路设置在输出端。如光电隔离器，稍远处设置低速集成电路和寄存器，以有效地解决公共阻抗耦合、辐照和串扰等实际问题。缓冲器被安装在输入输出端，能够高效地阻止板间信号的传递，进而有效地抑制噪声影响。五，在集成电路上需要存在大功率元件或者需要经过高压电流时，要尽量远离小功率元件或者是低温元件，并将它们分别布线。同时，要避免安装运算放大器或者热敏器，避免出现电感、温漂的问题。

结语：

通过采取有效抗干扰措施，PCB可以有效地抵御大多数常见的影响。然而，由于软硬件功能的可信度取决于机械设备的复杂性，想要有效地抵御某些特定的、小概率的影响，就需要使用更加繁杂的硬件抗干扰电路。因此，在PCB设计中，应依据实际情况和目标要求，采取有效的硬件抗干扰保护措施，以提高整个系统的抗干扰工作能力。

参考文献：

[1] 郭展. 射频低噪声放大器的优化设计方法研究[J]. 电子质量,2020(12):56-60,77.

[2] 李文婷,龙兆芝,范佳威,等. 基于多层PCB罗氏线圈的精密冲击电流测量装置[J]. 电力工程技术,2020,39(1):138-144.

[3] 范立云. PCB设计中的电路板抗干扰措施研究[J]. 百科论坛电子杂志,2020(13):1616-1617.

[4] 刘梅芳,李华鸿,周易. 抗干扰技术在PCB设计中的应用探究[J]. 中国科技投资,2020(36):141,147.