Como melhorar a capacidade anti-interferência de produtos eletrônicos com processadores

1、 Os seguintes sistemas devem prestar especial atenção à interferência anti-eletromagnética: 1. O microcontrolador tem uma frequência de clock muito alta e um ciclo de barramento muito rápido. 2. O sistema contém circuitos de acionamento de alta potência e alta corrente, como relés geradores de faísca, interruptores de alta corrente, etc. 3. O sistema inclui circuito de sinal analógico fraco e circuito de conversão A/D de alta precisão. 2、 As seguintes medidas devem ser tomadas para aumentar a capacidade anti-interferência eletromagnética do sistema: 1. Selecione microcontrolador com baixa frequência O microcontrolador com baixa frequência de clock externo pode efetivamente reduzir o ruído e melhorar a capacidade anti-interferência do sistema. Para onda quadrada e onda senoidal com a mesma frequência, o componente de alta frequência na onda quadrada é muito maior do que na onda senoidal. Embora a amplitude do componente de alta frequência da onda quadrada seja menor que a da onda fundamental, quanto maior a frequência, mais fácil é emitir como fonte de ruído. O ruído de alta frequência mais influente gerado pelo microcontrolador é cerca de três vezes a frequência do clock. 2. Reduza a distorção na transmissão do sinal Os microcontroladores são fabricados principalmente com tecnologia CMOS de alta velocidade. A corrente de entrada estática do terminal de entrada de sinal é de cerca de 1mA, a capacitância de entrada é de cerca de 10PF e a impedância de entrada é bastante alta. O terminal de saída do circuito CMOS de alta velocidade possui uma capacidade de carga considerável, ou seja, um valor de saída considerável. Se o terminal de saída de uma porta for conduzido ao terminal de entrada com uma impedância de entrada relativamente alta através de uma linha longa, o problema de reflexão será muito sério, o que causará distorção do sinal e aumentará o ruído do sistema. Quando Tpd > Tr, torna-se um problema na linha de transmissão, e reflexão de sinal, casamento de impedância e outros problemas devem ser considerados. O tempo de atraso do sinal na PCB está relacionado à impedância característica do condutor, ou seja, à constante dielétrica do material da PCB. Pode-se considerar aproximadamente que a velocidade de transmissão do sinal no terminal da PCB é cerca de 1/3 a 1/2 da velocidade da luz. O Tr (tempo de atraso padrão) dos elementos telefônicos lógicos comuns no sistema composto por microcontrolador está entre 3 e 18 ns. Na placa de circuito impresso, o sinal passa por um resistor de 7W e um cabo longo de 625px, e o tempo de atraso da linha é de cerca de 4~20ns. Em outras palavras, quanto mais curto for o sinal no circuito impresso, melhor, e o mais longo não deve exceder 625px. E o número de vias deve ser o menor possível, de preferência não superior a 2. Quando o tempo de subida do sinal é mais rápido que o tempo de atraso do sinal, ele deve ser processado de acordo com a eletrônica rápida. Neste momento, o casamento de impedâncias da linha de transmissão deve ser considerado. Para transmissão de sinal entre blocos integrados em uma placa de circuito impresso, deve-se evitar a situação de Td ＞ Trd. Quanto maior a placa de circuito impresso, mais rápida será a velocidade do sistema. Resuma uma regra de design de PCB com as seguintes conclusões: Quando o sinal é transmitido na placa impressa, seu tempo de atraso não deve ser maior que o tempo de atraso nominal do dispositivo utilizado. 3. Reduza a interferência cruzada entre as linhas de sinal Um sinal de degrau com tempo de subida Tr no ponto A é transmitido para a extremidade B através do terminal AB. O tempo de atraso do sinal na linha AB é Td. No ponto D, devido à transmissão direta do sinal do ponto A, à reflexão do sinal após chegar ao ponto B e ao atraso da linha AB, um sinal de pulso de página com largura de Tr será induzido após o tempo Td. No ponto C, devido à transmissão e reflexão do sinal na linha AB, será induzido um sinal de pulso positivo com largura duas vezes maior que o tempo de atraso do sinal na linha AB, ou seja, 2Td. Esta é a interferência cruzada entre sinais. A força do sinal de interferência está relacionada à di/at do sinal do ponto C e à distância entre as linhas. Quando as duas linhas de sinal não são muito longas, o que você vê em AB é na verdade a superposição de dois pulsos. O microcontrole feito pelo processo CMOS possui alta impedância de entrada, alto ruído e alta tolerância a ruído. O circuito digital não afeta seu funcionamento se for sobreposto a ruído de 100-200mv. Se a linha AB na figura for um sinal analógico, tal interferência se tornará intolerável. Se a placa de circuito impresso for uma placa de quatro camadas, uma das quais for uma grande área de aterramento, ou uma placa de dupla face, e o verso da linha de sinal for uma grande área de aterramento, a interferência cruzada entre os sinais será reduzido. A razão é que a impedância característica da linha de sinal é reduzida em uma grande área e a reflexão do sinal no terminal D é bastante reduzida. A impedância característica é inversamente proporcional ao quadrado da constante dielétrica do meio entre a linha de sinal e o terra, e é proporcional ao logaritmo natural da espessura do meio. Se a linha AB for um sinal analógico, a interferência da linha de sinal do circuito digital CD para AB deve ser evitada. Deve haver uma grande área de terreno abaixo da linha AB, e a distância entre a linha AB e a linha CD deve ser 2-3 vezes maior que a distância entre a linha AB e o solo. O aterramento de blindagem local pode ser usado e o fio terra pode ser colocado nos lados esquerdo e direito do fio condutor com a ligação. 4. Reduza o ruído da fonte de alimentação A fonte de alimentação não apenas fornece energia para o sistema, mas também adiciona ruído à fonte de alimentação. A linha de reinicialização, linha de interrupção e outras linhas de controle do microcontrolador no circuito são mais vulneráveis ​​à interferência de ruído externo. A forte interferência na rede elétrica entra no circuito através da fonte de alimentação. Mesmo no sistema alimentado por bateria, a própria bateria também apresenta ruído de alta frequência. O sinal analógico no circuito analógico não suporta a interferência da fonte de alimentação. 5. Preste atenção às características de alta frequência das placas e componentes de fios impressos No caso de alta frequência, o condutor, via, resistência, capacitância, indutância distribuída e capacitância dos conectores na placa de circuito impresso não podem ser ignorados. A indutância distribuída da capacitância e a capacitância distribuída da indutância não podem ser ignoradas. A resistência refletirá o sinal de alta frequência e a capacitância distribuída do terminal desempenhará um papel. Quando o comprimento for maior que 1/20 do comprimento de onda correspondente da frequência do ruído, o efeito de antena será gerado e o ruído será transmitido para fora através do cabo. A via da placa de circuito impresso causa uma capacitância de cerca de 0,6 PF. Um capacitor de 2-6pf é introduzido no material de embalagem do próprio circuito integrado. Um conector em uma placa de circuito possui indutância distribuída de 520nH. Um bloco de circuito integrado de 24 pinos com corte reto de duas carreiras é introduzido com indutor distribuído de 4 ~ 18nH. Esses pequenos parâmetros distribuídos podem ser ignorados neste sistema microcontrolador de baixa frequência; Atenção especial deve ser dada aos sistemas de alta velocidade. 6. O layout do elemento deve ser razoavelmente dividido A anti-interferência eletromagnética deve ser totalmente considerada para a posição dos componentes dispostos na placa de circuito impresso. Um dos princípios é que os fios condutores entre os componentes sejam tão curtos quanto possível. Em termos de layout, a parte do sinal analógico, a parte do circuito digital de alta velocidade e a parte da fonte de ruído (como relé, interruptor de grande corrente, etc.) devem ser razoavelmente separadas para minimizar o acoplamento de sinal entre elas. 7. Manuseie o fio terra Na placa de circuito impresso, o cabo de alimentação e o fio terra são os mais importantes. A maneira mais importante de superar a interferência eletromagnética é o aterramento. Para placas dupla-face, o layout do fio terra é particularmente particular. Usando o método de aterramento de ponto único, a alimentação e o aterramento são conectados à placa de circuito impresso em ambas as extremidades da fonte de alimentação, com um contato para a fonte de alimentação e um contato para o aterramento. Deve haver vários fios terra de retorno na placa de circuito impresso, que convergirão para o contato da fonte de alimentação de retorno, que é chamado de aterramento de ponto único. A chamada abertura de aterramento analógico, aterramento digital e dispositivos de alta potência significa que a fiação é separada e finalmente reunida neste ponto de aterramento. Cabos blindados são normalmente usados ​​para conectar sinais fora da placa de circuito impresso. Para sinais digitais e de alta frequência, ambas as extremidades do cabo blindado são aterradas. Uma extremidade do cabo blindado usado para sinal analógico de baixa frequência deve ser aterrada. Circuitos muito sensíveis a ruídos e interferências ou circuitos com ruídos de alta frequência especialmente graves devem ser blindados com tampas metálicas. 8. Use bem o capacitor de desacoplamento. Um bom capacitor de desacoplamento de alta frequência pode remover componentes de alta frequência de até 1 GHz. Capacitores de chip cerâmico ou capacitores cerâmicos multicamadas têm melhores características de alta frequência. Ao projetar uma placa de circuito impresso, um capacitor de desacoplamento deve ser adicionado entre a fonte de alimentação e o terra de cada circuito integrado. O capacitor de desacoplamento tem duas funções: por um lado, é o capacitor de armazenamento de energia do circuito integrado, fornecendo e absorvendo a energia de carga e descarga do circuito integrado no momento de abertura e fechamento da porta; Por outro lado, o ruído de alta frequência do dispositivo é contornado. Um capacitor de desacoplamento típico com capacitância de desacoplamento de 0,1uf em um circuito digital tem uma indutância distribuída de 5nH e sua frequência de ressonância paralela é de cerca de 7MHz, o que significa que tem um bom efeito de desacoplamento no ruído abaixo de 10MHz e tem pouco efeito no ruído acima de 40 MHz. A frequência de ressonância paralela dos capacitores de 1uf e 10uf está acima de 20MHz e o efeito de remoção do ruído de alta frequência é melhor. Muitas vezes é vantajoso ter um capacitor de alta frequência de 1uf ou 10uf onde a fonte de alimentação entra na placa impressa. Mesmo os sistemas alimentados por bateria precisam deste capacitor. Um capacitor de descarga de carga, ou capacitor de descarga de armazenamento, deve ser adicionado para cada 10 ou mais circuitos integrados. O tamanho do capacitor pode ser 10uf. É melhor não usar capacitores eletrolíticos. Os capacitores eletrolíticos são enrolados por duas camadas de filmes finos. Esta estrutura enrolada é uma indutância em altas frequências. É melhor usar um capacitor de vesícula biliar ou um capacitor de policarbonato. O valor da capacitância de desacoplamento não é estritamente selecionado e pode ser calculado como C=1/f; Ou seja, 0,1 uf é considerado para 10 MHz, e 0,1 ~ 0,01 uf pode ser considerado para o sistema composto por microcontrolador. 3、 Alguma experiência na redução de ruído e interferência eletromagnética. Se você pode usar chips de baixa velocidade, não precisa de chips de alta velocidade. Chips de alta velocidade são usados ​​em locais importantes. Uma série de resistores pode ser usada para reduzir a taxa de salto das bordas superior e inferior do circuito de controle. Tente fornecer alguma forma de amortecimento para relés, etc. Use o relógio com a frequência mais baixa que atenda aos requisitos do sistema. O gerador de relógio deve estar o mais próximo possível do dispositivo que utiliza o relógio. A carcaça do oscilador de cristal de quartzo deve ser aterrada. Circule a área do relógio com um fio terra e mantenha o fio do relógio o mais curto possível. O circuito de acionamento de E/S deve estar o mais próximo possível da borda da placa impressa, para que possa sair da placa impressa o mais rápido possível. O sinal que entra na PCB deve ser filtrado, e o sinal vindo da área de alto ruído também deve ser filtrado. Ao mesmo tempo, a resistência do terminal serial deve ser usada para reduzir a reflexão do sinal. A extremidade inútil do MCD deve ser conectada em altura, ou aterrada, ou definida como uma extremidade de saída. A fonte de alimentação e os terminais de aterramento do circuito integrado devem estar conectados e não devem ser suspensos. O terminal de entrada do circuito de porta não utilizado não deve ser suspenso, o terminal de entrada positivo do amplificador operacional não utilizado deve ser aterrado e o terminal de entrada negativo deve ser conectado ao terminal de saída. A placa impressa deve usar 45 linhas dobradas em vez de 90 linhas dobradas, tanto quanto possível, para reduzir a transmissão externa e o acoplamento de sinais de alta frequência. A placa de circuito impresso deve ser particionada de acordo com as características de comutação de frequência e corrente, e os componentes de ruído devem estar mais distantes dos componentes sem ruído. A fonte de alimentação de ponto único e o aterramento de ponto único, a linha de energia e o fio terra devem ser tão grossos quanto possível para painel único e painel duplo. Se a economia for acessível, placas multicamadas deverão ser usadas para reduzir a indutância da fonte de alimentação e do aterramento. Os sinais de seleção de clock, barramento e chip devem estar distantes das linhas de E/S e conectores. A linha de entrada de tensão analógica e o terminal de tensão de referência devem estar distantes da linha de sinal do circuito digital, especialmente do relógio. Para dispositivos A/D, a parte digital e a parte analógica devem ser unificadas em vez de cruzadas. A linha de clock perpendicular à linha de E/S tem menos interferência do que a linha de E/S paralela e o pino do elemento de clock está longe do cabo de E/S. O pino do elemento deve ser o mais curto possível e o pino do capacitor de desacoplamento deve ser o mais curto possível. As linhas principais devem ser tão grossas quanto possível e áreas protetoras devem ser adicionadas em ambos os lados. As linhas de alta velocidade devem ser curtas e retas. As linhas sensíveis ao ruído não devem ser paralelas às linhas de comutação de alta corrente e alta velocidade. Não passe fios sob cristal de quartzo ou dispositivos sensíveis a ruído. Não forme um loop de corrente em torno do circuito de sinal fraco e do circuito de baixa frequência. Nenhum sinal deve formar um loop. Se for inevitável, faça com que a área do loop seja a menor possível. Um capacitor de desacoplamento por IC. Um pequeno capacitor de bypass de alta frequência deve ser adicionado ao lado de cada capacitor eletrolítico. Use capacitores de tântalo de alta capacidade ou capacitores Juku em vez de capacitores eletrolíticos como capacitores de armazenamento de energia de carga e descarga de circuito. Ao usar capacitores tubulares, o invólucro deve ser aterrado.