Комплексное руководство по защите от помех при проектировании печатных плат

Принципы проектирования для обеспечения помехозащищенности при разработке печатных плат

1. Разводка земли:

1. Разделяйте цифровую землю и аналоговую землю.
2. Шина земли должна быть как можно толще, обеспечивая пропускание тока, превышающего допустимый на плате, минимум в 3 раза. Обычно ширина составляет 2-3 мм.
3. По возможности замыкайте шину земли в кольцо, чтобы уменьшить разницу потенциалов на земле.

2. Разводка питания:

1. Подбирайте ширину проводников в зависимости от величины тока.
2. Направление линий питания и земли должно совпадать с направлением передачи данных.
3. На вход питания печатной платы следует подключить развязывающий конденсатор емкостью 10-100 мкФ.

3. Размещение развязывающих конденсаторов:

1. Выводы развязывающего конденсатора не должны быть слишком длинными, особенно у высокочастотных байпасных конденсаторов.
2. На вход питания платы параллельно подключается электролитический конденсатор емкостью 10-100 мкФ. Желательно использовать конденсаторы емкостью более 100 мкФ.
3. Между Vcc и GND каждого интегрального микросхемы размещается керамический конденсатор емкостью 0,01-0,1 мкФ. Если места недостаточно, на каждые 4-10 микросхем устанавливают один танталовый конденсатор емкостью 1-10 мкФ.
4. Для устройств с низкой устойчивостью к шумам и значительными изменениями тока рекомендуется использовать развязывающие конденсаторы между Vcc и GND.
5. На вывод «RESET» микроконтроллера подключается развязывающий конденсатор емкостью 0,01 мкФ.

4. Размещение компонентов:

1. Входные выводы генераторов тактовых импульсов, кварцевых резонаторов и процессоров должны располагаться как можно ближе друг к другу и подальше от других низкочастотных устройств.
2. Цепи с малым током и цепи с большим током следует располагать вдали от логических схем.
3. На печатной плате устройства с высоким тепловыделением должны находиться в верхней части.

5. Разделение линий питания, переменного тока и сигнальных линий:

Линии питания и переменного тока должны быть разведены отдельно от сигнальных линий, по возможности на разных платах.

6. Другие принципы:

1. Длина адресных линий должна быть одинаковой и минимально возможной.
2. Подключение подтягивающих резисторов около 10 кОм к шине данных способствует защите от помех.
3. На противоположных сторонах платы проводники следует разводить перпендикулярно, чтобы уменьшить взаимные помехи.
4. Емкость развязывающих конденсаторов определяется по формуле: C = 1/F, где F — частота передачи данных.
5. Неиспользуемые выводы соединяются с Vcc через подтягивающий резистор (около 10 кОм) или объединяются с используемыми выводами.
6. Тепловыделяющие компоненты (например, мощные резисторы) должны быть расположены вдали от компонентов, чувствительных к температуре (например, электролитических конденсаторов).
7. Полное декодирование устойчивее к помехам, чем линейное.

Для подавления помех от мощных устройств на цифровые схемы микроконтроллеров и от цифровых схем на аналоговые цепи рекомендуется использовать высокочастотные дроссели.

7. Развязывающие конденсаторы:

Развязывающие конденсаторы между питанием и землей интегральной схемы выполняют две функции:

1. Хранение энергии.
2. Блокировка высокочастотных шумов.

Типичное значение развязывающего конденсатора в цифровых цепях — 0,1 мкФ. Для шумов выше 40 МГц используют конденсаторы емкостью 1-10 мкФ.

8. Опыт борьбы с шумами и электромагнитными помехами:

1. Используйте последовательные резисторы для уменьшения скорости переключения краев сигналов.
2. Обведите область тактового генератора землей.
3. Тактовые линии, перпендикулярные линиям ввода-вывода, создают меньше помех.
4. Избегайте прокладки проводников под кварцевыми резонаторами и шумочувствительными компонентами.
5. При необходимости добавляйте ферритовые фильтры.

Проектирование с учетом помехозащищенности улучшит надежность работы схем и позволит избежать сбоев в условиях реальных помех.