单片机系统的电磁兼容性设计

随着单片机系统越来越广泛地应用于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域，单片机系统面临着电磁干扰（EMI）日益严重的威胁。电磁兼容性（EMC）包含系统的发射和敏感度两方面的问题。如果一个单片机系统符合下面三个条件，则该系统是电磁兼容的：

　　① 对其它系统不产生干扰;

　　② 对其它系统的发射不敏感;

　　③ 对系统本身不产生干扰。

　　假若干扰不能完全消除，但也要使干扰减少到最小。干扰的产生不是直接的（通过导体、公共阻抗耦合等），就是间接的（通过串扰或辐射耦合）。电磁干扰的产生是通过导体和通过辐射，很多电磁发射源，如光照、继电器、DC电机和日光灯都可引起干扰；AC电源线、互连电缆、金属电缆和子系统的内部电路也都可能产生辐射或接收到不希望的信号。在高速单片机系统中，时钟电路通常是宽带噪声的最大产生源，这些电路可产生高达300 MHz的谐波失真，在系统中应该把它们去掉。另外，在单片机系统中，最容易受影响的是复位线、中断线和控制线。

　　1、干扰的耦合方式

　　（1） 传导性EMI

　　一种最明显而往往被忽略的能引起电路中噪声的路径是经过导体。一条穿过噪声环境的导线可捡拾噪声并把噪声送到其它电路引起干扰。设计人员必须避免导线捡拾噪声和在噪声引起干扰前，用去耦办法除去噪声。最普通的例子是噪声通过电源线进入电路。若电源本身或连接到电源的其它电路是干扰源，则在电源线进入电路之前必须对其去耦。

　　（2） 公共阻抗耦合

　　当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生共阻抗耦合。阻抗上的压降由两个电路决定，来自两个电路的地电流流经共地阻抗。电路1的地电位被地电流2调制，噪声信号或DC补偿经共地阻抗从电路2耦合到电路1。

　　（3） 辐射耦合

　　经辐射的耦合通称串扰。串扰发生在电流流经导体时产生电磁场，而电磁场在邻近的导体中感应瞬态电流。

　　（4） 辐射发射

　　辐射发射有两种基本类型：差分模式（DM）和共模（CM）。共模辐射或单极天线辐射是由无意的压降引起的，它使电路中所有地连接抬高到系统地电位之上。就电场大小而言，CM辐射是比DM辐射更为严重的问题。为使CM辐射最小，必须用切合实际的设计使共模电流降到零。

　　2、影响EMC的因数

　　① 电压。电源电压越高，意味着电压振幅越大，发射就更多，而低电源电压影响敏感度。

　　② 频率。高频产生更多的发射，周期性信号产生更多的发射。在高频单片机系统中，当器件开关时产生电流尖峰信号；在模拟系统中，当负载电流变化时产生电流尖峰信号。

　　③ 接地。在所有EMC问题中，主要问题是不适当的接地引起的。有三种信号接地方法：单点、多点和混合。在频率低于1 MHz时，可采用单点接地方法，但不适于高频;在高频应用中，最好采用多点接地。混合接地是低频用单点接地，而高频用多点接地的方法。地线布局是关键，高频数字电路和低电平模拟电路的地回路绝对不能混合。

　　④ PCB设计。适当的印刷电路板（PCB）布线对防止EMI是至关重要的。

　　⑤ 电源去耦。当器件开关时，在电源线上会产生瞬态电流，必须衰减和滤掉这些瞬态电流。来自高di/dt源的瞬态电流导致地和线迹“发射”电压，高di/dt 产生大范围高频电流，激励部件和线缆辐射。流经导线的电流变化和电感会导致压降，减小电感或电流随时间的变化可使该压降最小。

　　3、印刷电路板（PCB）的电磁兼容性设计

　　PCB是单片机系统中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对单片机系统的电磁兼容性影响很大，实践证明，即使电路原理图设计正确，印刷电路板设计不当，也会对单片机系统的可靠性产生不利影响。例如，如果印刷板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声。因此，在设计印刷电路板的时候，应注意采用正确的方法，遵守PCB设计的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。

　　3.1 PCB设计的一般原则

　　要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、成本低的PCB，应遵循以下一般性原则。

　　（1） 特殊元器件布局

　　首先，要考虑PCB尺寸的大小：PCB尺寸过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加;过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元器件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。

　　在确定特殊元器件的位置时要遵守以下原则：

　　① 尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离。

　　② 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。

　　③ 重量超过15 g的元器件，应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装在印刷板上，而应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题。热敏元件应远离发热元件。

　　④ 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局，应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印刷板上方便调节的地方;若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。

　　⑤ 留出印刷板定位孔及固定支架所占用的位置。

　　（2） 一般元器件布局

　　根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：

　　① 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。

　　② 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。

　　③ 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列，这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。

　　④ 位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2 mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比为3:2或4:3。电路板面尺寸大于200 mm