PCB的布線設(shè)計及抗干擾技術(shù)

1、第28卷第2期2006年4月艦船科學(xué)技術(shù)SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .28,No .2Ap r .,2006文章編號:1672-7649(200602-0057-03PC B 的布線設(shè)計及抗干擾技術(shù)董強(qiáng)1,倪健2,劉云2,馬曉翠2(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所,河北邯鄲056027;2.河北工程大學(xué),河北邯鄲056038摘要:提出了在PC B 板電路設(shè)計中的工藝設(shè)計和抗干擾的有效方法,如何正確設(shè)計印制電路板組件布局和選擇布線方向的改進(jìn),以便滿足PC B 板抑制干擾和噪聲的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞:PCB;電路設(shè)計;布線;電磁干擾;噪聲中圖分類號:

2、T N41文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AThe w i r i n g desi gn of PCB and an ti 2j amm i n g technologyDONG Q iang 1,N I J ian 2,L I U Yun 2,MA Xiao 2cui2(1.The 718Research I nstitute of CSI C,Handan 056027,China;2.Hebei University of Engineering,Handan 056038,China Abstract:Technol ogical design and anti 2ja mm ing effective

3、 method in PCB s board circuit design is p r oposed in the paper,as well as how correctly design the p rinted circuit board package directi onal i m p r ove 2ment of layout and discreti onary wiring method,s o that satisfying the design require ment that PCB s board re 2strains interference and nois

4、e .Key words:PCB;circuit design;the wiring;electr o 2magnetic interference;noise收稿日期:2006-03-200引言隨著數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)步,人們的工作和生活正在發(fā)生著巨大變化?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是電子技術(shù)的發(fā)展,從生產(chǎn)到生活的各個領(lǐng)域,電氣產(chǎn)品的使用越來越廣泛。而電氣產(chǎn)品的重要組件印制電路板的設(shè)計和抗電磁干擾技術(shù)也日益受到人們的重視。印制電路板(PCB 是在通用基材上,按預(yù)定設(shè)計形成點(diǎn)間連接元件的電路板。PCB 一般按用途、基材和結(jié)構(gòu)又分為軍用印制板、民用印制板、工業(yè)用印制板等。PCB 設(shè)計是其從電

5、原理圖變成一個電子產(chǎn)品必經(jīng)的過程,其設(shè)計的合理性與產(chǎn)品生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量緊密相關(guān)。而對于許多從事電子設(shè)計的人員來說,由于組件布局設(shè)計和布線方向的不同,結(jié)果會產(chǎn)生很大的差異。在電路設(shè)計的過程中,由于電子元器件的分布密度大,連接元器件之間的布線間隔愈來愈小,加上模塊電路大大縮小了電子產(chǎn)品的體積。雖然電路會變得很靈巧,但勢必會有更多的元件集中在一個小空間內(nèi),必然會導(dǎo)致電路間的互相干擾,其中以電磁干擾及噪聲頗令設(shè)計工程師感到困擾。因而,必須把如何正確設(shè)計PCB 組件布局和正確選擇布線方向及整體儀器的工藝結(jié)構(gòu)三方面聯(lián)合考慮。合理的工藝結(jié)構(gòu),既可消除因布線不當(dāng)而產(chǎn)生的電磁干擾及噪聲,同時也便于生產(chǎn)中的安裝和調(diào)

6、試。1總體設(shè)計電子線路要想獲得最佳的性能1,元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是非常重要的一環(huán)。在印制電路板總體設(shè)計時,首先要考慮PCB 板尺寸大小。PCB 板尺寸過大時,印制線條長,阻抗增加,抗噪聲能力下降,成本也相應(yīng)增加;如果尺寸過小,則散熱不好,且鄰近線條易受干擾。總的來說,確定PCB 板尺寸后,根據(jù)電路的功能單元,對電路的全部元器件進(jìn)行總體艦船科學(xué)技術(shù)第28卷布局時,應(yīng)滿足以下要求:(1在電路板上有高壓電路和低壓電路時,高壓電路與低壓電路的元器件要分隔放置,隔離距離與要承受的耐壓有關(guān),通常情況下,在2000V時板上的線間距不小于2mm。(2以每個功能電路的核心元件為中心,圍繞它來進(jìn)行布局。元器件

7、應(yīng)均勻、整齊、緊湊地排列在線路板上,盡量減少和縮短各元器件之間的引線。(3對元器件重量超過20g的應(yīng)當(dāng)采取固定措施,固定完畢后再進(jìn)行焊接。有些元器件又大又重、散熱量大的應(yīng)盡量布置在印制板的上端,熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。(4對照電路的流程,安排各個功能電路單元的位置,使布局便于信號流通,并使信號流向盡可能保持一致的方向。(5一般電路應(yīng)盡可能使元器件平行排列。這樣,不但美觀,而且方便裝焊。在高頻下工作的電路,要考慮元器件之間的分布參數(shù)。(6PCB板邊緣的元器件,離PCB板邊緣一般不小于2mm。PCB板的最佳形狀為矩形,長寬比為32。電路板面尺寸大于150mm×200mm時應(yīng)考慮電路板的機(jī)

8、械強(qiáng)度。(7個別元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差,應(yīng)加大它們之間的距離,以免放電引起短路。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方,避免造成高壓電擊。(8對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求,應(yīng)放置在與調(diào)節(jié)旋鈕相適應(yīng)的位置。(9盡可能縮短高頻元器件之間的連線,設(shè)法減少其分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能放置太近,輸出和輸入元件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離。2布線設(shè)計隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的使用使PCB的布線愈加精密和復(fù)雜2, PCB布線設(shè)計的好壞對印制電路板的影響很大。在進(jìn)行PCB設(shè)計時3,不但要按照PCB設(shè)計的

9、基本規(guī)則,而且還要考慮如何降低電板的電磁輻射和抗干擾性能。在PCB布線設(shè)計時,通過合理的電源布線設(shè)計、信號布線設(shè)計,也是提高電磁兼容的好辦法。(1為了抑制PCB導(dǎo)線之間的串?dāng)_,在設(shè)計布線時應(yīng)盡量避免長距離的平行走線,盡可能拉開線與線之間的距離,信號線與地線及電源線盡可能不交叉,在一些對干擾十分敏感的信號線之間設(shè)置一根接地的印制線,可以有效地抑制信號串?dāng)_。(2PCB導(dǎo)線的最小寬度主要由導(dǎo)線與絕緣基板間的粘附強(qiáng)度和流過它們的電流值決定。當(dāng)銅箔厚度為0.05mm、寬度為13mm時,可通過2A的電流。對于集成電路,尤其是數(shù)字電路,通常選0.25 0.4mm導(dǎo)線寬度。當(dāng)然,只要允許,還是盡可能用寬線,尤

10、其是電源線和地線。導(dǎo)線的最小間距主要由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,可使間距小至5mm。(3PCB導(dǎo)線拐彎處一般取圓弧形,而直角或銳角在高頻電路中會影響電氣性能。此外,應(yīng)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,最好用網(wǎng)眼形狀布設(shè),這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焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+ 1.2mm,其中d為引線孔徑。對高密度的數(shù)字電路,焊盤最小直徑可取(d+1.0mm。(5輸入輸出端用的PCB導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行,最好在輸

11、入輸出端加線間地線,以免發(fā)生反饋耦合。3抗干擾設(shè)計在電子產(chǎn)品設(shè)計中,人們?nèi)菀缀鲆曉谠O(shè)計中融入抗干擾技術(shù),這是因?yàn)樵O(shè)計者常常把主要精力都集中在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能設(shè)計方面,而忽視了電子產(chǎn)品內(nèi)部或電子產(chǎn)品之間還會出現(xiàn)互相的電磁干擾問題,尤其是在進(jìn)行高頻電子系統(tǒng)設(shè)計時,一旦忽視了抗電磁干擾技術(shù),就會出現(xiàn)電子設(shè)備因受到系統(tǒng)的電磁干擾,而最終不得不進(jìn)行重新設(shè)計的尷尬地步?，F(xiàn)在的電子工程師及線路的設(shè)計者,除了要確認(rèn)設(shè)計的電路能工作于理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境外,還要使電路能工作在有電磁干擾或噪聲的實(shí)際環(huán)境中。好的電路設(shè)計,電路在工作中不被外來的噪聲所干擾,而且本身也不成為干擾源。從設(shè)計的角度看,PCB的抗干擾設(shè)計與具體電路

12、有著密切的關(guān)系。3.1電源抗干擾設(shè)計電源和地線方式的合理選擇是儀器可靠工作的重要保證。相當(dāng)多的干擾源來自電源和地線,其中地線引起的噪聲干擾最大。根據(jù)PCB電流的大小,電85第2期董強(qiáng),等:PCB的布線設(shè)計及抗干擾技術(shù)源線、地線線條的設(shè)計要盡量粗而短,尤其是地線,這樣可減少環(huán)路電阻,同時使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致,這樣有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在條件允許的情況下盡量采用多層板。實(shí)踐證明4,四層板比雙面板噪聲低20d B,六層板又比四層板噪聲低10dB。3.2“地”的抗干擾設(shè)計接地問題是一個表面上看似簡單但實(shí)質(zhì)上卻很復(fù)雜的系統(tǒng)工程。接地的實(shí)施與系統(tǒng)其他電路的設(shè)計同樣重要4,良好的接“地”

13、設(shè)計,不僅可以有效地抑制外來電磁干擾的侵入,而且還保證設(shè)備和系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。在地線設(shè)計時應(yīng)考慮系統(tǒng)地、機(jī)殼地(屏蔽地、數(shù)字地(邏輯地和模擬地等。在地線設(shè)計中應(yīng)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1MHz,它的布線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(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號工作頻率大于10MHz時,地線阻抗變得很大,此時應(yīng)盡量降低地線阻抗,應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在110 MHz時,如果采用一點(diǎn)接地,其地線長度不應(yīng)超過波長的1/20,否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。(2數(shù)字地與模擬地設(shè)計要分開若線路板上既有邏輯電路又有線性電路

14、,應(yīng)使它們盡量分開,而兩者的地線不要相混,分別與電源端地線相連。要盡量加大線性電路的接地面積。低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點(diǎn)并聯(lián)接地,實(shí)際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地。高頻電路宜采用多點(diǎn)串聯(lián)接地,地線應(yīng)短而粗,高頻元件周圍盡量用柵格狀大面積接地。(3接地線應(yīng)盡量加粗,地線寬度應(yīng)是信號、控制線的13倍若接地線用很細(xì)的線條,則接地電位會隨電流的變化而變化,使抗噪性能降低。因此應(yīng)將接地線加粗,使它能通過三倍于印制板上的允許電流。如印制板條件允許,接地線應(yīng)在23mm以上。(4接地線構(gòu)成閉環(huán)路當(dāng)只有數(shù)字電路組成的PCB時,其接地電路布線成團(tuán)環(huán)路,大多能提高抗噪聲能力。其原因在于:PCB上有很多集成電路

15、元件,尤其遇到能耗高的元件時,因受接地線粗細(xì)的限制,會產(chǎn)生較大的電位差,引起抗噪聲能力下降,若將接地結(jié)構(gòu)成環(huán)路,則會縮小電位差值,提高電子設(shè)備的抗噪聲能力。(5C MOS運(yùn)放電路的輸入阻抗很高5,且易受感應(yīng),在使用時對不用端要接地或接正電源。信號線間設(shè)置地線,在PCB允許的條件下,地線布設(shè)得越多抗串?dāng)_越好。3.3去耦電容的設(shè)計在直流電源回路中,負(fù)載的變化會引起電源噪聲。如在數(shù)字電路中,當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時,就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流,形成瞬變的噪聲電壓。為消除公共阻抗有害耦合,PCB設(shè)計的常規(guī)做法之一是,在印制板的各個關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙?去耦電容的一般配置原則是

16、:(1電源輸入端跨接10100F的電解電容器。如有可能,接100F以上的效果更好。(2各元件的電源輸入端對地VDD-VSS,V BB-V SS間接入高頻特性好的0.1F的陶瓷電容作為高頻去耦。(3每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個0.01F 的陶瓷電容,如果印制板空隙不夠,可每36個芯片布置一個110F的鉭電容。(4對于抗噪能力弱、關(guān)斷時電源變化較大的ROM、RAM存儲器件6,應(yīng)在芯片的電源線和地線的進(jìn)線端接入退耦電容,電容選擇10100F,以提高電路的抗噪聲能力。(5電容引線不宜太長,尤其是高頻旁路電容不能有引線。4熱設(shè)計電子產(chǎn)品的設(shè)計除了整機(jī)的熱設(shè)計外,PCB板的熱設(shè)計也十分重要。在設(shè)計PCB裝

17、配工藝時,要從有利于散熱的角度出發(fā),PCB板最好是直立安裝,板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2c m,對于采用空氣自由對流冷卻的器件,最好是將集成電路按縱長方式排列;對于采用強(qiáng)制空氣冷卻的器件,最好是將集成電路按橫長方式排列。同一塊PCB上的器件應(yīng)盡可能按其發(fā)熱量大小及散熱程度分區(qū)排列,發(fā)熱量小或耐熱性差的器件(如小規(guī)模集成電路、電解電容等放在冷卻氣流的入口處,發(fā)熱量大或耐熱性好的器件(如功率晶體管、大規(guī)模集成電路等放在冷卻氣流走向的下方。在水平方向上,大功率器件盡量靠近印制板邊沿布置,以便縮短傳熱路徑;在垂直方向上,大功率器件盡量靠近印制板上方布置,以便減少這些器件工作時對其他器件溫度的影響。對

18、溫度比較敏感的器件最好安置在溫度最低的區(qū)域,(下轉(zhuǎn)第63頁95第2期蔡曉波,等:核測井中光電倍增管的應(yīng)用研究化,暗電流貢獻(xiàn)了部分力量。盡管暗電流的成份比較復(fù)雜,但一般認(rèn)為光陰極和第一倍增極的熱電子發(fā)射是暗電流的主要來源。光電倍增管的光陰極在室溫下就會有一定的熱電子的發(fā)射,它與光電子同樣會一起倍增,并最終形成熱噪聲。光陰極的熱發(fā)射引起的暗電流是不可避免的。降低光電倍增管的使用環(huán)境溫度可以減少熱電子發(fā)射,從而降低暗電流。3.2溫度變化對光電倍增管靈敏度的影響光電倍增管的靈敏度也會受到溫度的影響。在紫外和可見光區(qū),光電倍增管的溫度系數(shù)為負(fù)值,到了長波截止波長附近則呈正值。由于在長波截止波長附近的溫度

19、系數(shù)很大,所以在核測井中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制光電倍增管的環(huán)境溫度。必要時可以使用保溫組件,以保證在測井過程中,探測器周圍環(huán)境溫度落差小于規(guī)定溫度,使儀器達(dá)到測井的使用要求。4結(jié)語除應(yīng)用于核測井儀器外,光電倍增管在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。如核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的CT、伽瑪相機(jī)等;電離輻射測量中的核物理及其應(yīng)用技術(shù)、輻射計量學(xué)與電離劑量學(xué)、宇宙航天學(xué)、宇宙空間的伽瑪定位;高能物理領(lǐng)域,用于質(zhì)子衰變測定等;激光技術(shù)、激光通信系統(tǒng)等等。作為核測井儀器的核心部件,光電倍增管必須達(dá)到符合使用環(huán)境的條件和各項(xiàng)性能指標(biāo)。按照廠家的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),可以選擇到合適的管形,但是同一型號的光電倍增管因?yàn)樾阅軈?shù)的不同,使用效果差別很大。因此,需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測和篩選,以便能得到滿足測井儀器使用的合格的光電倍增管。參考文獻(xiàn):1馮起寧.測井儀器原理M.山東:石油大學(xué)出版社,1992.2吳治華,等.原子核物理實(shí)驗(yàn)方法M.北京:原子能出版社,1997.3王芝英.核電子技術(shù)原理M.北京:原子能出版社,1989.4洪有密.測井原理與綜合解釋M.山東:石油大學(xué)出版社,1993.5鐘振千,何清源,王瑞平.巖性密度測井原理及應(yīng)用M.山東:石油工業(yè)出版社,1994.作者簡介:蔡曉波(1977-,男,助理工程師,現(xiàn)從事核放射性測井儀器研制、CP LD開發(fā)等工作。(上接第59頁不能將它放在發(fā)熱器件的