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列车用高速数字PCB电板抗干扰设计

  导读:本文详细阐明了高速数字印制电板在设计时应该注意的问题,阐明了在列车车载系统中高速数字电将会受到哪些方面的影响,以及产生这些影响的原因,针对具体问题提出设计高速电时应该采取的几种方法。实践证明,采取这些方法设计的电能够极大提高产品的抗干扰性能。

  随着科学技术的不断发展,列车也向着高速发展,列车车载系统中逐步采用高速数字电。在列车上有许多干扰源,包括各类变压器、风机、受电弓、空气压缩机等产生的电磁干扰,影响着列车内高速数字电的正常工作。此外,为乘车和工作的舒适,车上还配备有空调、电热器、通风机等各类电器设备,他们同样对外产生着电磁辐射,影响到高速数字电的正常工作。因此,在列车上如此复杂的中,如何确保高速数字信号的可靠,将变得尤为重要。这些问题如果不处理好将导致信号失真,时序错误,系统不稳定等诸多情况,会带来不可估计的损失。

  为列车通信、控制等系统的正常运行,设备的抗干扰设计与功能设计同样重要。在设计初必须考虑数字电干扰的问题,否则很难达到高速数字电抗干扰要求。因此首先应当提高数字电板的抗干扰能力及减小电辐射,避免在设计完成之后再去进行电板的抗干扰的补救措施。

  pcb板设计2干扰形成方式

  干扰形成的三个基本方式:干扰源、耦合途径、源。下面分别从这几个方面进行阐述。

  2.1电板干扰耦合途径

  PCB电板上干扰主要有共模干扰和差模干扰。差模干扰是由信号回产生的,共模干扰是由电缆上的共模电流产生。对于印制电板主要指其差模干扰,因为其差模干扰的频率范围为电信号所占有的整个频段,不仅能通过其导线耦合到各源器件,同时电流环还会耦合进外部产生的各类干扰,影响正常的工作系统。减小差模干扰的主要方法是布线时尽量减短走线长度,减小信号环面积。

  2.2PCB电板上干扰源产生方式

  高速数字电各类干扰的主要产生原因是由电源自身固有噪声频率及外部线上各类变化的di/dt、du/dt产生,由于电板上存在电源回、信号回、高速信号回及附属在线上的各类容性、感性负载,因此当信号产生跳变时都将产生一个尖峰冲击形成噪声,而这些噪声将通过各回的电流环沿传导,因此应当电源自身的固有噪声及各种高速数字跳变引起的噪声。电自身或者各类突变信号产生的噪声,最好的方式就是去耦和滤波。这样既减少了自身的噪声也能够吸收外部对其的影响,提高自身的抗干扰能力。图1简要说明在各个电阶段所产生的噪声。

  图1各个电阶段噪声的产生

  2.3PCB电板上的源

  对于高速数字信号源主要是指容易受到外部干扰的对象,例如:A/D、D/A变换器,逻辑控制器,单片机,晶振,数字,弱信号放大器等。这些器件的稳定性直接关系到电板的系统工作的稳定性和工作精度,因此对于这些源要做好相应的,提高自身的抗干扰能力。

  3提高PCB线板抗干扰措施

  3.1减小耦合回

  减小耦合的主要方法是减小信号环面积,其中主要应该解决地线、电源、信号源及板边的环面积。

  3.1.1减小地线、电源耦合回

  地线是造成线板上地线噪声的主要原因,因此应该尽量减小地线,可以采取地平面或网格地。

  对于高速数字电板应该采用多层板,以减小环面积,将中间层作为电源或地层,并且尽量电源与地相邻的层间距尽量小;让每一信号层都有一对应的地线层,信号线与其地回构成的环面积要尽可能小,环面积越小,对外的干扰越少。针对这一特点,在地平面分割时,要考虑到地平面与重要信号走线的分布,防止由于地平面开槽等带来的问题,信号线不能跨越地平面和电源平面分隔区,防止形成大的地线回。同时电源层应该比地线层内缩3mm左右的距离,这样将能够70%以上的电源干扰。如图2所示。

  图2电源层比地线层内缩示意图

  3.1.2减小源信号的耦合回

  对于信号例如:周期性信号,如时钟信号、模拟信号、地址总线的低位信号等产生干扰较强,也是设计高速数字电的关键所在。印制板上关键信号布线应该按照从高到低的原则走线(排序方式:高到低:模拟信号-复位信号-I2C-时钟信号-读写信号-高速、射频信号-数据总线-地址总线);关键信号布线尽量走内层;并要配小电容并联进行滤波;信号层只有通过地平面隔离后的两个层,才可以平行走线;信号线应尽可能使其互连线最短;印制板上高频连线的元件尽可能靠近走线短;以减少高频信号的分布参数和电磁干扰,这样才能够提高信号源的抗干扰能力。