電源中印製板設計的抗干擾技術

1  引言
    在高頻開關電源如DC-DC變換器中，由於印製板上既有電平為+5v、±15V的小信號控制線．又有200V-300V的高壓電源母線，同時還有高頻功率開關、變壓器等大功率器件、磁性元件。如何在印製板有限的空間內合理地安排元器件位置，將直接影響到電路中各元器件自身地抗干擾性和電路工作的可靠性。
    目前生產的產品中．應用最多的的印製電路板有三種：最常用的一面有印製導線的單面板，正、反面都有印製導線的雙面板以及富有生命力的多層印製板。隨著高頻開關電源功率密度的不斷提高．越來越多的將使用多層印製板。而以上三種印製電路板各有其獨特的特點，就單面板而言，因為其只有一面有印製線，所以密度低，成本也低，但可靠性也較低，多為民用；而雙面板因其正、反兩面都有印製線，所以密度較單面板而言要較高一點，成本也稍高一點，此板可應用於工業生產和軍品中；而多層板具有以下幾個特點：
(1)內層有專用的電源層和地線層，供電線路的阻抗較低，能減少公共阻抗的干擾；
(2)對信號線而言，都有均勻接地面，信號線的特性阻抗穩定，可減少反射所引起的波形畸變；
(3)加大了信號線和地線之間的分佈電容，減少串擾；
(4)密度高；
(5)相對單面板和雙面板而言，成本增加了很多。
    正是因為多層板具有這些獨特的特點，它被廣泛地應用於象計算機這樣具有體積小。密度高的產品中。
    影響印製板抗干擾性能的因素很多，其中主要有：銅箔的厚度，印製導線的寬度、長度和相鄰導線之間的串擾，板內元器件布局的不合理，以及導線的公共阻抗、導線和元器件在空間產生的電磁場等。

2 影響印製板抗干擾的因素和措施
2.1導線阻抗的影響和措施
    怎樣放置印製導線，印製導線究竟放多長，印製導線的寬度取多少為宜，對不同的信號線，該怎樣布局，還得從印製導線的特性阻抗來分析。
    單根導線的特性阻抗可由其直流電阻R和自感L組成：
    Z=R+jωL    (1)
    其中R可根據印製導線的寬度b(cm)，厚度d(cm)，長度l(cm)來確定；
    P=ρ(1/bd) (Ω)   (2)
    而自感L可根據下式來計算：
 
    由(2)式可知，印製導線的長度l越短，直流電阻R就越小；同時增加印製導線的厚度d也可降低直流電阻R。我所生產的印製板中，其印製導線厚度為統一的規定值。而印製導線的寬度b也與直流電阻R成反比，這樣增加印製導線的寬度6，可相應減少印製導線的直流電阻R，但在元器件比較密集的印製板中，一味的增加印製導線的寬度b，勢必會導致印製板空間不夠用，怎樣做到既可使空間充分利用，又可相應增加印製導線的寬度，使其直流電駔R為合理狀態下的最小值，還要待電路中元器件的數量而定。
    同樣從(3)式可以得出，印製導線的長度l越短，自感L就越小；而且增加印製導線的寬度b也可降低自感L。
    而多根印製導線的特性阻抗除由其直流電阻R和自感L組成外，還有互感M的影響，而互感M除受印製導線的寬度b(cm)影響外，印製導線之間的間距也起著重要的作用：
 
    其中s為兩條印製導線之間的間距，由上式可知。相應地拉開兩條印製導線之間的距離，可相應地減少互感M。同樣，印製導線的長度l和寬度b也與其有關。
    針對以上現象．在設計密度較高的印製電路板時，應該注意盡量降低電源線和地線的阻抗，因為電源線、地線和其他印製導線都有電感．當電源電流變化較大時，將會產生較大的壓降，而地線壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以要盡量使地線為最短。也可盡量加粗電源線和地線線條。在裝配密度很高的印製電路扳時，多採用多層板．因為可使印製導線的直流電阻R和自感L減小，從而減小了印製導線的特性阻抗。
    在雙面印製板設計中．除應該盡量加粗電源線和地線線條之外，還應該在電源線和地線之間留出一定的空間，以便安裝高頻特性好的去耦電容。
    在設計印製電路板時，應該盡量做到印製導線的長度盡量的短，這樣做可降低導線的電阻。另外，切忌兩條信號印製導線平行走線．如果在設計印製電路板時．平行走線無法避免，可通過以下方法來補救：
(1)在兩條平行的信號線之間加一條地線，以起屏蔽作用；
(2)盡量拉開兩條平行的信號線之間的距離，以降低兩線之間電磁場的影響；
(3)使兩條平行的信號線上流過的電流方向相反，此做法猶如在電裝分機信號線時，使用雙絞線一樣。目的在於減小感應磁通。

2.2印製板上元器件布局的影響和措施
    任何一種電磁干擾均由以下三部分組成：起干擾作用的干擾源，以及把這些干擾傳輸給其他物體的線路．即耦合路徑，和受到干擾的物體，即受擾體。從干擾源產生的干擾。經耦合路徑進入受擾體，如果幹擾程度超出受擾體的靈敏度，就會影響受擾體的正常工作而構成干擾。而如何解決這些干擾，得從以下三個方面來考慮：盡量抑制干擾源的干擾、切斷起干擾作用的耦合路經以及提高受擾體自身的抗干擾能力。
    在印製板上應該怎洋擺放元器件最為合理呢?我們在設計印製電路板時，通常干擾源和受擾體由於受到工作條件的限制而不易改變。這時，首先應該盡量將相互有關聯的元器件擺放在一起．以避免因器件離的太遠而造成的印製導線過長所帶來的干擾；其次應該根據印製扳的安裝方式，把易發熱的元器件如穩壓器、功率開關器件、變壓器等安裝在印製板的上方部位．以利於散熱；再者應將輸入信號或輸出信號盡量放置在引線埠附近，以避免因耦合路徑而產生的干擾。
    在雙面印製板設計中，應該在所有的集成電路旁放置一個濾波電容，以便減小電源線阻抗，縮小電流環路，使電路工作更加穩定可靠。
    我們在設計印製電路板時，還會遇到有大信號和小信號同時存在的情況，如果布局不當，勢必會造成大信號這個干擾體對小信號這個受擾體的干擾，那麼應該怎樣解決這一現象呢?將大信號和小信號分開放置在印製板上，也就是在印製板上劃分出不同的區域，供具有不同特性的線路使用。但有時由於受到印製板尺寸的限制，不可能劃分的很細緻，在這種情況下，可盡量將影響小的線路布置在一起，且在干擾體和受擾體之間留出一定的空間。

2.3與外界電路連接的影響和措施
    當印製板設計完畢之後，怎樣在多塊印製板之間以及印製板與分機之間連線，連線處理的好壞，將直接影響到印製板的抗干擾能力及電路工作的穩定性，因為來自干擾源的干擾會隨著連線這個耦合路徑傳入受擾體。
    那麼怎樣解決呢?首先根據印製板上元器件的多少來確定印製板的大小。如果因為印製板上的元器件少，而選用不帶插頭的印製板時，在放置信號輸出焊盤的同時，也同時放置一個接地焊盤，這樣做可使電信號與外電路連線時，挑選使用雙絞線或屏蔽雙絞線，以起屏蔽作用，且連接的線越短越好，避免連線過長而造成信號失真；如果因為元器件少，選用不帶插頭的印製板，而該印製板帶屏蔽盒時，在與外電路連接時，可在屏蔽盒上安裝穿心電容，以起到屏蔽作用；而對於有插頭的印製板來說，應該盡量將有信號輸入和輸出的器件放置在靠近插頭的一端，以便使其與插頭連接時的印製導線為最短。

3 試驗實例
3.1 電源線和地線帶來的干擾
    圖1取自某雷達發射機高壓控保PCB的部分電路。圖1(a)是原設計電路，由於電源線和地線的印製導線寬座太細，電路在工作時易受到外界的干擾；而圖1(b)是經過改進后的PCB電路，電源線和地線加粗至5mm，解決了電路的干擾問題，使整機可靠工作。
 
3.2 元器件布局不合理帶來的干擾
    圖2取自某雷達發射機磁場電源控保PCB的部分電路。因圖2(a)中一元器件擺放不合理，電路在工作時易受到磁場的干擾．改進后的PCB電路圖2(b)較改進前的PCB電路圖2(a)在抗干擾上有了很大的改善。
 
3.3 布線不合理帶來的干擾
    圖3取自某雷達發射機高壓電源控保PCB的部分電路。圖3(a)是原設計電路，由於在布線時將高壓取樣信號線布在了電流閉環取樣迴路中，使閉環取樣電路在工作時易受到外界的干擾，經常造成誤報過壓故障；而圖3(b)是經過改進后的PCB電路，由於閉開了因高壓取樣信號線帶來的干擾，使改進后的PCB電路在工作時更加可靠和穩定。