PCB设计中防止干扰的措施

在电子系统设计中，为了避免走弯路并节省时间，必须充分考虑并满足抗干扰要求，从而避免在设计完成后才采取补救措施。导致干扰的因素主要有以下三个：

(1) 干扰源：指产生干扰的元器件、设备或信号。从数学角度来看，其描述如下：du/dt 和 di/dt 值较高的区域即构成干扰源。例如，雷电、继电器、晶闸管、电机以及高频时钟都可能成为干扰源。

(2) 传播路径：指干扰从源头传播到敏感元件所经过的路线或介质。典型的传播路径包括通过导线进行的传导传播，以及通过空间进行的辐射传播。

(3) 敏感元件：指易受干扰影响的器件。例如 A/D 和 D/A 转换器、微控制器、数字集成电路以及微弱信号放大器。抗干扰设计的基本原则包括：抑制干扰源、阻断传播路径以及提高敏感元件的抗干扰能力。

1. 抑制干扰源

抑制干扰源意味着尽可能将干扰源的 du/dt 和 di/dt 降至最低。这是抗干扰设计中优先级高且至关重要的原则，通常只需付出极少努力就能取得显著成效。降低干扰源的 du/dt，主要通过在干扰源两端并联一个电容器来实现。降低干扰源的 di/dt，则可通过在干扰源电路中串联电感器或电阻器，以及添加一个自由轮换二极管来实现。

抑制干扰源的常见措施如下：

(1) 在继电器线圈上添加一个自由轮转二极管，以消除线圈断电时产生的反电动势干扰。仅添加自由轮转二极管会导致继电器断电时间延迟；但添加齐纳二极管后，继电器每单位时间的操作频率会更高。

(2) 在继电器触点两端并联连接一个灭弧电路（通常为RC串联电路，电阻值范围为几kΩ到几十kΩ，电容为0.01 μF），以最大限度地减少电火花的影响。

(3) 在电机上添加滤波电路；确保电容和电感的引线尽可能短。

(4) 在电路板上的每个集成电路（IC）两端并联一个0.01 μF至0.1 μF的高频电容，以最大限度地减少IC对电源的影响。注意高频电容的布线；连接应靠近电源引脚，且走线应尽可能粗且短。否则，这将有效增加电容的等效串联电阻（ESR），从而削弱滤波效果。

(5) 布线时应避免90度拐角，以减少高频噪声辐射。

(6) 在晶闸管两端并联一个RC抑制电路，以减少其产生的噪声（严重的噪声可能会导致晶闸管击穿）。

根据传播路径，干扰可分为两类：传导干扰和辐射干扰。

传导干扰是指通过导体传播到敏感元件的干扰。由于高频干扰噪声的工作频段与有用信号不同，因此可以通过在导体上添加滤波器来阻断其传播；在某些情况下，隔离式光耦合器也能解决这个问题。电源噪声构成重大风险，需要特别注意。辐射干扰是指通过空间传播到敏感元件的干扰。常见的解决方案包括增加干扰源与敏感元件之间的距离、用接地线将它们隔离，以及对敏感元件进行屏蔽。

2 阻断干扰传播路径的常见措施如下：

(1) 充分考虑电源对微控制器的影响。设计合理的电源可解决整个电路抗干扰能力的一半以上。许多微控制器对电源噪声非常敏感；因此，应在微控制器的电源上添加滤波电路或稳压器，以最大限度地减少电源噪声引起的干扰。例如，可使用铁氧体磁珠和电容器构建π型滤波电路；当然，当要求不太严格时，可用一个100Ω电阻代替铁氧体磁珠。

(2) 如果微控制器的I/O端口用于控制电机等会产生噪声的设备，应在I/O端口与噪声源之间进行隔离（通过添加π型滤波器电路）。在控制电机等会产生噪声的设备时，应在I/O端口与噪声源之间进行隔离（通过添加π型滤波器电路）。

(3) 注意晶体振荡器的布线。将晶体振荡器尽可能靠近微控制器引脚布置，用接地平面隔离时钟区域，并将晶体振荡器外壳接地并固定。这些措施可以解决许多棘手的问题。

(4) 将电路板划分为适当的区域，例如高电平和低电平信号区，以及数字和模拟信号区。将噪声源（如电机和继电器）尽可能远离敏感元件（如微控制器）。

(5) 使用接地线将数字和模拟部分隔离；将数字地与模拟地分开，并将两者在单一点连接到电源地。在布线A/D和D/A芯片的走线时也应遵循这一原则；制造商在为A/D和D/A芯片分配引脚布局时，已经考虑到了这一要求。

(6) 微控制器和大功率器件的接地线必须分别接地。