电源中印制板设计的抗干扰技术

1  引言
    在高频开关电源如DC-DC变换器中，由于印制板上既有电平为+5v、±15V的小信号控制线．又有200V-300V的高压电源母线，同时还有高频功率开关、变压器等大功率器件、磁性元件。如何在印制板有限的空间内合理地安排元器件位置，将直接影响到电路中各元器件自身地抗干扰性和电路工作的可靠性。
    目前生产的产品中．应用最多的的印制电路板有三种：最常用的一面有印制导线的单面板，正、反面都有印制导线的双面板以及富有生命力的多层印制板。随着高频开关电源功率密度的不断提高．越来越多的将使用多层印制板。而以上三种印制电路板各有其独特的特点，就单面板而言，因为其只有一面有印制线，所以密度低，成本也低，但可靠性也较低，多为民用；而双面板因其正、反两面都有印制线，所以密度较单面板而言要较高一点，成本也稍高一点，此板可应用于工业生产和军品中；而多层板具有以下几个特点：
(1)内层有专用的电源层和地线层，供电线路的阻抗较低，能减少公共阻抗的干扰；
(2)对信号线而言，都有均匀接地面，信号线的特性阻抗稳定，可减少反射所引起的波形畸变；
(3)加大了信号线和地线之间的分布电容，减少串扰；
(4)密度高；
(5)相对单面板和双面板而言，成本增加了很多。
    正是因为多层板具有这些独特的特点，它被广泛地应用于象计算机这样具有体积小。密度高的产品中。
    影响印制板抗干扰性能的因素很多，其中主要有：铜箔的厚度，印制导线的宽度、长度和相邻导线之间的串扰，板内元器件布局的不合理，以及导线的公共阻抗、导线和元器件在空间产生的电磁场等。

2 影响印制板抗干扰的因素和措施
2.1导线阻抗的影响和措施
    怎样放置印制导线，印制导线究竟放多长，印制导线的宽度取多少为宜，对不同的信号线，该怎样布局，还得从印制导线的特性阻抗来分析。
    单根导线的特性阻抗可由其直流电阻R和自感L组成：
    Z=R+jωL    (1)
    其中R可根据印制导线的宽度b(cm)，厚度d(cm)，长度l(cm)来确定；
    P=ρ(1/bd) (Ω)   (2)
    而自感L可根据下式来计算：
 
    由(2)式可知，印制导线的长度l越短，直流电阻R就越小；同时增加印制导线的厚度d也可降低直流电阻R。我所生产的印制板中，其印制导线厚度为统一的规定值。而印制导线的宽度b也与直流电阻R成反比，这样增加印制导线的宽度6，可相应减少印制导线的直流电阻R，但在元器件比较密集的印制板中，一味的增加印制导线的宽度b，势必会导致印制板空间不够用，怎样做到既可使空间充分利用，又可相应增加印制导线的宽度，使其直流电驵R为合理状态下的最小值，还要待电路中元器件的数量而定。
    同样从(3)式可以得出，印制导线的长度l越短，自感L就越小；而且增加印制导线的宽度b也可降低自感L。
    而多根印制导线的特性阻抗除由其直流电阻R和自感L组成外，还有互感M的影响，而互感M除受印制导线的宽度b(cm)影响外，印制导线之间的间距也起着重要的作用：
 
    其中s为两条印制导线之间的间距，由上式可知。相应地拉开两条印制导线之间的距离，可相应地减少互感M。同样，印制导线的长度l和宽度b也与其有关。
    针对以上现象．在设计密度较高的印制电路板时，应该注意尽量降低电源线和地线的阻抗，因为电源线、地线和其他印制导线都有电感．当电源电流变化较大时，将会产生较大的压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以要尽量使地线为最短。也可尽量加粗电源线和地线线条。在装配密度很高的印制电路扳时，多采用多层板．因为可使印制导线的直流电阻R和自感L减小，从而减小了印制导线的特性阻抗。
    在双面印制板设计中．除应该尽量加粗电源线和地线线条之外，还应该在电源线和地线之间留出一定的空间，以便安装高频特性好的去耦电容。
    在设计印制电路板时，应该尽量做到印制导线的长度尽量的短，这样做可降低导线的电阻。另外，切忌两条信号印制导线平行走线．如果在设计印制电路板时．平行走线无法避免，可通过以下方法来补救：
(1)在两条平行的信号线之间加一条地线，以起屏蔽作用；
(2)尽量拉开两条平行的信号线之间的距离，以降低两线之间电磁场的影响；
(3)使两条平行的信号线上流过的电流方向相反，此做法犹如在电装分机信号线时，使用双绞线一样。目的在于减小感应磁通。

2.2印制板上元器件布局的影响和措施
    任何一种电磁干扰均由以下三部分组成：起干扰作用的干扰源，以及把这些干扰传输给其他物体的线路．即耦合路径，和受到干扰的物体，即受扰体。从干扰源产生的干扰。经耦合路径进入受扰体，如果干扰程度超出受扰体的灵敏度，就会影响受扰体的正常工作而构成干扰。而如何解决这些干扰，得从以下三个方面来考虑：尽量抑制干扰源的干扰、切断起干扰作用的耦合路经以及提高受扰体自身的抗干扰能力。
    在印制板上应该怎洋摆放元器件最为合理呢 我们在设计印制电路板时，通常干扰源和受扰体由于受到工作条件的限制而不易改变。这时，首先应该尽量将相互有关联的元器件摆放在一起．以避免因器件离的太远而造成的印制导线过长所带来的干扰；其次应该根据印制扳的安装方式，把易发热的元器件如稳压器、功率开关器件、变压器等安装在印制板的上方部位．以利于散热；再者应将输入信号或输出信号尽量放置在引线端口附近，以避免因耦合路径而产生的干扰。
    在双面印制板设计中，应该在所有的集成电路旁放置一个滤波电容，以便减小电源线阻抗，缩小电流环路，使电路工作更加稳定可靠。
    我们在设计印制电路板时，还会遇到有大信号和小信号同时存在的情况，如果布局不当，势必会造成大信号这个干扰体对小信号这个受扰体的干扰，那么应该怎样解决这一现象呢 将大信号和小信号分开放置在印制板上，也就是在印制板上划分出不同的区域，供具有不同特性的线路使用。但有时由于受到印制板尺寸的限制，不可能划分的很细致，在这种情况下，可尽量将影响小的线路布置在一起，且在干扰体和受扰体之间留出一定的空间。

2.3与外界电路连接的影响和措施
    当印制板设计完毕之后，怎样在多块印制板之间以及印制板与分机之间连线，连线处理的好坏，将直接影响到印制板的抗干扰能力及电路工作的稳定性，因为来自干扰源的干扰会随着连线这个耦合路径传入受扰体。
    那么怎样解决呢 首先根据印制板上元器件的多少来确定印制板的大小。如果因为印制板上的元器件少，而选用不带插头的印制板时，在放置信号输出焊盘的同时，也同时放置一个接地焊盘，这样做可使电信号与外电路连线时，挑选使用双绞线或屏蔽双绞线，以起屏蔽作用，且连接的线越短越好，避免连线过长而造成信号失真；如果因为元器件少，选用不带插头的印制板，而该印制板带屏蔽盒时，在与外电路连接时，可在屏蔽盒上安装穿心电容，以起到屏蔽作用；而对于有插头的印制板来说，应该尽量将有信号输入和输出的器件放置在靠近插头的一端，以便使其与插头连接时的印制导线为最短。

3 试验实例
3.1 电源线和地线带来的干扰
    图1取自某雷达发射机高压控保PCB的部分电路。图1(a)是原设计电路，由于电源线和地线的印制导线宽座太细，电路在工作时易受到外界的干扰；而图1(b)是经过改进后的PCB电路，电源线和地线加粗至5mm，解决了电路的干扰问题，使整机可靠工作。
 
3.2 元器件布局不合理带来的干扰
    图2取自某雷达发射机磁场电源控保PCB的部分电路。因图2(a)中一元器件摆放不合理，电路在工作时易受到磁场的干扰．改进后的PCB电路图2(b)较改进前的PCB电路图2(a)在抗干扰上有了很大的改善。
 
3.3 布线不合理带来的干扰
    图3取自某雷达发射机高压电源控保PCB的部分电路。图3(a)是原设计电路，由于在布线时将高压取样信号线布在了电流闭环取样回路中，使闭环取样电路在工作时易受到外界的干扰，经常造成误报过压故障；而图3(b)是经过改进后的PCB电路，由于闭开了因高压取样信号线带来的干扰，使改进后的PCB电路在工作时更加可靠和稳定。